同步辐射文献分享：X射线同步辐射技术在单原子催化领域中的应用

单原子催化剂（SACs）在催化反应过程中可达到100%的最高原子利用效率，与传统催化剂相比，显著地增加了活性位点。同步辐射技术是鉴定单原子催化剂的一种重要表征方法，它可以提供金属的配位数、键长和电子结构等内部结构信息。因此，深圳大学张雷教授团队联合加拿大西安大略大学孙学良教授等，从X射线吸收近边光谱、扩展X射线吸收精细结构光谱以及原位同步技术出发，介绍了同步辐射技术的基本原理及其在SACs中的应用技术。本文中关于同步辐射表征技术的系统总结对未来SACs的精细结构分析具有重要意义。

图1. XAS在单原子催化剂表征中的应用示意图。

同步辐射是带电粒子在磁场中沿着弧线轨道运动时，以接近光速的速度发射出的一种电磁辐射，它具有高亮度、连续光谱、宽光谱范围等一系列优良的特性。目前，已经发展了几种典型的同步辐射表征方法，包括X射线衍射（XRD）、小角度X射线散射（SAXS）、X射线吸收光谱精细结构（XAFS）、X射线荧光分析（XRF）等。同步辐射理论和实验技术的应用，促进了物理、化学、生物、材料、环境科学等研究领域的发展。单原子催化剂（SACs）被认为是一种新型的催化剂，原子利用效率可达到100%，可有效提高金属催化剂单位质量的催化活性。此外，随着载体上单原子结构的形成，金属原子的低配位环境和增强的金属载体相互作用等特性将进一步改善SACs的催化性能。同步辐射技术是识别SACs的一种重要表征方法，它可以在宏观层面上提供金属单原子的局部配位环境，系统地总结同步辐射技术在金属单原子催化剂领域中的应用，对未来SACs的结构分析具有重要意义。

本文中，作者首先介绍了同步辐射的基本原理和适于表征SACs的相关技术，然后总结了通过X射线同步辐射技术可获得的单原子的详细信息：1）特定金属原子的局部配位环境，2）金属单原子的化学态形式，3）金属原子外层电子结构，4）催化反应过程中单原子结构的原位变化。最后，本文还系统总结了近期原位和非原位同步辐射技术在贵金属和过渡金属单原子催化剂中的表征应用，为进一步明了SACs的活性位点和局部配位结构提供有效的分析手段。

图文解析：

1.X-ray 同步辐射基本原理

图2. 加拿大同步辐射光源结构、主要组件、线站和工作原理图。

2.单原子的原位/非原位同步辐射分析光谱

图3. 原位同步辐射表征器件在电催化反应中的应用。

3.同步辐射X-ray谱技术在SACs的应用

3.1X-ray光谱表征贵金属Pt, Ru, Pd等SACs

图 4. 同步辐射XANES, FT-EXAFS 对Pt 单原子催化剂的表征结果。

图 5. 同步辐射XANES, FT-EXAFS 对Ru单原子催化剂的表征结果。

图 6. 同步辐射XANES, FT-EXAFS 对Pd单原子催化剂的表征结果。

3.2X-ray光谱表征非贵金属Fe, Co等SACs

图 7. 同步辐射XANES, FT-EXAFS 对Fe单原子催化剂的表征结果。

图 8. 同步辐射XANES, FT-EXAFS 对Co单原子催化剂的表征结果。

总结与展望：

对于SACs，它们的催化性能与单原子位点的精细电子结构之间有很强的相关性。因此，许多研究都集中在开发各种具有改性电子结构的SACs的合成策略上。本文中，作者系统总结了原位、非原位同步辐射X-射线光谱技术对贵金属和非贵金属SACs的表征分析，对深入理解SACs的活性位点和局部配位结构具有重要意义。

在未来SACs先进表征技术的研究中，本文提出了以下四点展望：多原子催化剂体系的制备及XAS光谱表征、SACs的稳定性和失活机制的XAS原位研究、高负载SACs的制备及XAS分析、用于原位XAS分析的先进反应装置的研究。通过系统研究同步辐射技术在单原子催化领域中的应用，不断推动原位和非原位XAS表征技术的发展，对开创先进单原子催化剂及明确其活性位点与配位结构具有重要意义。

图9.未来SACs先进表征技术的研究展望。

通讯作者介绍：

张雷教授，深圳大学教授，博士生导师，广东省青年拔尖人才，深圳市海外高层次人才。近十年来从事与纳米科学相关的化学、材料、物理等交叉学科的基础研究与应用研究，以能源催化材料的原子级构筑为研究主线，实现纳米材料以及单原子级催化剂配位环境的精确调控，在能源催化材料可控制备及电催化转化领域，取得了一系列突出的研究成果。迄今发表高水平学术论文92篇，其中以通讯作者或第一作者身份在Science, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等国际一流杂志发表学术论文42篇，文章总引用8000余次, 单篇最高引用次数超过700次。基于在原子级构筑纳米材料方面的贡献，于第16届国际催化大会获得“青年科学家奖”。研究内容涵盖催化剂表面/界面调控、单原子电催化、原子层沉积技术、质子交换膜燃料电池技术、二氧化碳转化利用、同步辐射表征技术等多个领域。

孙学良教授，加拿大西安大略大学材料工程学院教授，加拿大皇家学科学院院士和加拿大工程院院士、中国工程院外籍院士，国际能源科学院的常任副主席、加拿大纳米能源材料领域首席科学家，孙教授目前重点从事锂离子电池、固态锂离子电池和燃料电池的研究和应用。孙学良教授已发表超过600篇SCI论文，论文总引用超过50000次，H-index=117。其中包括Nat. Energy, Sci. Adv., Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Acc. Chem. Res., Joule, Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等杂志。

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