说明：本文华算科技系统阐述了吸附氧的基本概念、吸附机制及其在催化过程中的关键作用。详细解析了物理吸附与化学吸附的区别、解离与非解离吸附的路径，以及表面结构对吸附行为的影响。同时，深入探讨了吸附氧在提升反应速率、增强催化剂稳定性方面的功能，并介绍了XPS、FTIR、XAFS等先进表征技术在吸附氧研究中的应用。
什么是吸附氧
氧气分子（O2）是一种具有较高化学活性的分子，广泛参与催化反应及表面化学过程。吸附氧是指氧气分子通过物理或化学方式与固体表面发生相互作用，形成稳定的化学物种。根据吸附方式的不同，吸附氧可以分为物理吸附氧和化学吸附氧。
图1用MiFC-Ms揭示*O转化路径及其对AEM与OPM过电位的影响。DOI:10.1038/s41467-025-63181-z
吸附氧的吸附方式
物理吸附
氧分子通过范德华力与表面相互作用而形成的吸附物种。这种吸附方式的相互作用较弱，通常发生在低温环境下。物理吸附氧通常不涉及显著的电子转移，其吸附能较低，氧分子保持相对较低的活性。
图2. 氧气分子物理吸附的钝化作用。DOI: 10.1038/s42005-018-0098-0
化学吸附
氧分子与表面发生强烈的化学键合，常常伴随着能量释放和电子转移过程。这种吸附方式通常发生在较高的温度或表面具有较高活性的情况下。化学吸附能较强，形成的氧物种具有更高的化学反应性，常见的化学吸附氧包括氧原子（O）和氧离子（O2-）。
图3. EQCM识别预氧化界面上的吸附氧物种。DOI:10.1038/s41467-025-63181-z
吸附氧的解离与非解离吸附
氧分子在吸附过程中可以发生解离吸附或非解离吸附：
解离吸附
氧分子（O₂）在与表面接触时裂解成两个氧原子（O），这种吸附方式形成的氧原子通常具有较高的反应性，且表现出较强的自由基特性。解离吸附氧原子常常参与氧化反应等高活性过程。
图4. 双氧空位(OV)与氯空位(CIV)诱导的界面电子转移过程示意图。DOI: 10.1021/acs.est.1c08532
非解离吸附
氧分子保持双原子形式直接与表面结合。此时，氧分子可能与表面上的金属或其他元素通过电子交换相互作用，形成带电的吸附物种（如氧离子O2-）。非解离吸附通常发生在较低温度或较低反应活性的表面上。
吸附氧的吸附位点与表面结构
吸附氧的形成受到表面位点的影响，特别是金属表面的电子结构。金属表面的高电子密度区域，如d轨道，通常是氧气吸附的优选位点。金属原子能够通过电子迁移提供吸附氧所需的激活能。当氧气分子与金属表面发生化学反应时，会形成吸附氧，具体形式可以是分子氧（O2）或原子氧（O）。
图5. Pt台阶面不同位点的氧吸附能差异。DOI: 10.1038/s41586-024-07090-z
吸附氧如何表征
吸附氧的表征方法多种多样，常见的表征技术包括X射线光电子能谱（XPS）、红外光谱（FTIR）、X射线吸收精细结构（XAFS）等。这些技术能够提供关于吸附氧物种的化学状态、分布情况以及吸附位点的详细信息。
X射线光电子能谱（XPS）
X射线光电子能谱（XPS）是一种常用的表征吸附氧的技术。通过测量氧元素的化学位移，XPS可以区分不同氧物种的存在，例如氧分子（O₂）、氧离子（O²⁻）以及氧原子（O）。
XPS不仅可以帮助识别吸附氧的化学状态，还能提供吸附氧的电子环境信息。通过分析氧的谱峰位移，可以揭示氧分子与表面之间的相互作用及吸附过程的细节。
图7. 揭示了氧物种在NiFe-LDH表面的吸附特征。DOI:10.1039/D5TA06705G
红外光谱（FTIR）
红外光谱（FTIR）能够检测到吸附氧分子或氧化物的特征振动模式。不同的吸附氧物种会表现出特定的吸收峰，这些峰值可以用来鉴定氧的吸附状态。红外光谱常用于研究吸附氧在催化反应中的行为，尤其是在氧化反应中。
分子氧的吸附往往会在1500 cm⁻¹附近出现吸收峰，而氧化物的吸附通常会在1000 cm⁻¹以下的区域表现出特征吸收峰。
X射线吸收精细结构（XAFS）
X射线吸收精细结构（XAFS）是用于研究吸附氧及其与表面相互作用的一种高级技术。XAFS通过测量吸附氧与表面金属或其他元素的局部电子结构，可以揭示吸附氧的几何结构及其化学环境。
XAFS不仅能够提供氧物种在催化表面上的局部环境信息，还能够有效地分析吸附氧的电子结构、吸附位点以及氧物种的配位环境。
图8. 在Ir L3边记录的拟合曲线及d AD-HN-Ir电催化剂在1.25、1.35和1.45 V下的OER机制图以揭示Ir位点上出现一个与氧吸附有关的Ir–O键。DOI: 10.1038/s41467-021-26416-3
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