说明：这篇文章华算科技介绍了催化剂表征的重要性，包括揭示结构与性能关联、为设计催化剂提供依据等，还详细说明了比表面积分析、XRD、XPS等常用表征技术，阅读后能了解如何通过表征理解催化剂性能，助力优化设计与开发应用。
比表面积与孔隙度分析
比表面积和孔隙度对催化剂的性能有着显著影响。较大的比表面积意味着更多的活性位点暴露，能让反应物更充分地接触催化剂，从而提高反应速率。而合适的孔隙结构则有助于反应物和产物的扩散，影响反应的选择性。
BET分析是测量催化剂比表面积和孔隙度的常用方法。它基于氮气等惰性气体在催化剂表面的物理吸附特性，通过测量不同压力下的吸附量，利用特定的理论模型计算出催化剂的比表面积和孔隙体积、孔径分布等信息。
如图1，对催化剂在氮气环境中的吸脱附实验可以得出其比表面积大小以及孔隙结构，并且可以明确粒径分布。而丰富的孔隙结构和高比表面积使其在吸附和催化反应中表现出色，BET分析能精准揭示其这些特性，为优化催化剂的制备和应用提供依据。
图1：氮气吸脱附曲线与孔径分布。DOI：10.1002/anie.202403023
结构分析
XRD技术就像是给催化剂拍了一张 “分子结构照片”。当X射线照射到催化剂样品上时，会发生衍射现象，不同晶相的催化剂会产生特定的衍射图谱。通过分析可以确定催化剂的晶体结构、晶相组成以及晶粒度。
例如图2对其三种粉末催化剂进行了XRD测试，结果显示这三种不同形态的样品均与Cu9S5的标准卡片（JCPDS 47-1748）高度匹配。
Cu9S5 SNWs（001）晶面的半峰宽显著大于其他两种形态的样品，根据谢勒公式，晶粒尺寸越小，相应的衍射峰半峰宽越大。相反，粒径越大，衍射峰半峰宽越尖锐。
由于Cu9S5 SNWs的样本的尺寸达到亚纳米尺度（0.95 nm）和样品表现出单晶胞结构，没有完整的晶面，这导致半峰宽度明显更大，而Cu9S5 SNWs的（001）半峰宽值高。
图2：Cu9S5 SNWs催化剂的XRD图。DOI：10.1002/aenm.202403354
FT-IR是一种基于分子振动-转动能级跃迁的光谱分析技术，通过干涉仪产生的红外光照射样品，记录样品对不同波长红外光的吸收、透射或反射信号，经傅里叶变换将干涉图转化为红外光谱，反映分子中官能团的振动特征。
其主要作用是通过光谱中特征峰的位置（波数）、强度和形状，识别分子中的官能团（如羟基、羰基、甲基等），推断化合物的化学结构，是有机化合物、高分子材料等结构分析的核心手段。
如图3在Cu9S5 SNWs的FT-IR光谱中，相比于Cu9S5 NWs，出现了明显的红移现象，证明了Cu与S的电子相互作用。Cu9S5 NWs和Cu9S5 SNWs样品在2916 cm-1和2846 cm-1处的特征峰可归因于十二烷硫醇中亚甲基（-CH2-）的伸缩振动模式，1471 cm-1处的特征峰对应于C-H键的弯曲振动模式。
图3：红外光谱图。DOI：10.1002/aenm.202403354
拉曼光谱基于拉曼散射效应，通过检测激光与分子非弹性碰撞产生的散射光-入射光频率差（拉曼位移），可获取分子振动和转动能级特征，其拉曼位移是分子结构的“指纹”，尤其适用于红外难测的非极性基团（如碳碳双键、对称官能团），常与红外互补。
如图4中V-RuO2（V掺杂RuO2）的拉曼光谱与RuO2一致，无其他独特峰，排除了V2O5生成且V掺杂使RuO2的A1g模式向低波数移动，表明V引入显著影响其晶格结构和化学键环境（可能产生氧空位或局部缺陷），进而改变电子结构；A1g峰左移体现V原子与RuO2晶格的相互作用，说明V掺杂调制了RuO2的局部对称性和键长特性。
图4：V-RuO2的拉曼光谱。
化学组成分析
XPS技术能够深入分析催化剂表面的元素组成、化学态和电子结构。当用X射线照射催化剂表面时，会使表面原子的电子被激发出来，通过检测这些光电子的能量和数量，我们可以确定元素的种类和含量，以及元素所处的化学环境。
比如在研究负载型金属催化剂时，XPS能准确判断金属在载体表面的存在形式，是金属单质还是金属氧化物，以及其氧化态的变化，这对于理解催化剂的活性和失活机制十分重要。
如图5利用XPS证明了Ru、Co、Ni元素成分和价态，并通过样品中特定元素的XPS精细谱得出结合能正/负移，从而得出其存在电子相互作用。
图5：Ru 3p、Co 2p、Ni 2p的XPS精细谱。DOI：10.1002/aenm.202501952
同步辐射X射线吸收光谱（XAS）是一种基于同步辐射光源的先进分析技术，它通过测量材料对特定能量范围X射线的吸收特性来研究材料的电子结构、化学状态和原子配位环境。
主要包括X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）两部分。
XANES能够反映原子的价态、化学键性质及电子结构。EXAFS则可以精确分辨原子的配位环境，包括原子间距和配位数等，通过对EXAFS信号进行拟合和小波变换等分析方法，可获得材料中特定原子的配位情况。
如图6，CuxRu纳米网的Ru K边的XANES光谱与Ru箔相似，表明其继承了金属Ru的电子性质。Cu K边XANES光谱虽与Cu箔吸收边位置相近，但特征差异显著，表明Cu原子具有独特的微环境。
进一步分析相应的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）光谱，CuxRu纳米网和Ru箔在Ru K边均呈现约2.34 Å的主峰，归因于Ru-Ru/Cu配位。而Cu K边的主峰约为2.34 Å，与Cu箔的2.23 Å及铜酞菁（CuPc）的1.53 Å截然不同，证实Cu原子在Ru基质中高度分散，未形成Cu簇或氧化物。
图6：同步辐射表征。DOI: 10.1002/adma.202507892
显微镜技术
SEM通过发射电子束扫描样品表面，收集二次电子或背散射电子来成像，能够提供催化剂表面的微观形貌信息，分辨率一般在纳米到微米尺度。通过SEM图像，可以直观地看到催化剂颗粒的大小、形状和聚集状态，以及表面的纹理和粗糙度等。
在研究多孔催化剂时，SEM能清晰展示其孔道结构的分布，这些微观形貌特征与催化剂的传质和反应性能密切相关。
如图7，用扫描电子显微镜对材料形状进行表征，发现水热反应和低温磷化后生成的P-NiMoO4@NiFeCP-7.3是纳米棒阵列，同时通过电沉积之后的样品形貌无明显变化。
图7：P-NiMoO4@NiFeCP-7.3的SEM图。DOI：10.1007/s12274-024-6476-x
TEM可以让我们直接观察到催化剂的微观结构。它通过发射电子束穿透样品，根据电子与样品相互作用后的散射情况成像。利用TEM我们能够清晰地看到催化剂颗粒的大小、形状和分布，还能观察到催化剂内部的晶格结构和缺陷等信息。
如图8，研究中将材料在H2气氛下退火后，RuxCoyOz HND经脱氧被还原为RuxCoy，同时通过透射电子显微镜观察该材料保持中空十二面体结构，这种特殊的形貌赋予了该材料特殊的催化性能。
图8：RuxCoyOz的TEM图。DOI：10.1038/s41929-023-00951-2
AFM则是利用原子间的相互作用力来扫描样品表面，获得原子尺度的表面形貌和力学性质信息。它可以在接近真实反应条件下对催化剂表面进行成像，对于研究催化剂表面的原子结构、吸附分子的状态以及表面反应过程中的动态变化非常有帮助。
比如在研究催化剂表面的分子吸附和反应动力学时，AFM能够提供高分辨率的实时图像，为深入理解催化反应机理提供独特视角。如图9作者通过原子力显微镜测试得出合成的亚纳米片材料的尺寸厚度，得出厚度大约在1 nm左右，符合“亚纳米片”这个概念，成功证明了该材料的合成。
图9：NMCZ-PMA的AFM图。DOI:10.1021/jacs.4c00652
球差校正透射电子显微镜（球差电镜）是一种先进的材料分析技术，它通过校正电子显微镜中的球差，显著提高了成像的分辨率和质量，从而能够对材料进行更深入的微观结构分析。这种技术可以揭示材料在原子尺度上的细节，包括晶体结构、缺陷、界面和纳米尺度的特征。
如图10，Ru原子原位植入到2D Ni金属纳米片的表面。经过像差校正的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）显示，Ru原子在Ni基底上均匀分布（原子大小的亮点），并且没有观察到明显的Ru簇/纳米颗粒，如绿色圆圈所示。
通过EDS元素映射进一步检查了均匀分布的Ru，证实了Ru原子精确地掺入到Ni原子的晶格中。
图10：Ru1Ni SAA的形态和结构表征。DOI：10.1002/adfm.202406917
总结与展望
催化剂的基础表征技术是深入了解其物理、化学和结构性质的有力工具，通过综合运用可揭示催化反应机制，为高性能催化剂的设计开发提供理论基础。随着科技进步，该技术不断创新，向更高分辨率、更精准定量及更能模拟真实反应条件的方向发展。
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