单原子 VS 团簇，如何判断？同步辐射XAS通过EXAFS配位峰判定单原子分散

为什么是同步辐射？

如何用同步辐射验证单原子？

以《Single atom copper anchored N-doped graphene-like carbon for CO₂ electroreduction》为例，系统解析同步辐射XAS技术如何作为关键表征手段，精准识别Cu-N₂单原子位点，并阐明其与CO₂电还原性能之间的构效关系。

XANES：确定氧化态与轨道杂化

验证单原子的第一步：确定氧化态。

通过对比Cu@NG与标样（Cu箔、Cu₂O、CuO）的XANES吸收边位置，可判定其介于Cu⁰与Cu⁺之间且更接近Cu⁺，表明铜平均氧化态为+1价（Cu⁺）。该Cu(I)状态对CO₂还原生成多碳产物具有关键作用。

验证单原子的第二步：分析轨道杂化。

Cu@NG的XANES谱中前边峰强度显著增强，这通常源于禁阻跃迁的解除，归因于Cu 3d与N 2p轨道的强杂化。这从电子结构层面提供了Cu-N键形成的初步证据，揭示了单原子与载体之间的化学连接。

EXAFS振荡函数 可近似表示为：

通过拟合，可以提取关键结构参数：

N_j：配位数，第j层配位原子的平均数量。

R_j：键长，中心原子与第j层配位原子的平均距离。

σ²_j：德拜-沃勒因子，表征键长无序度或热振动幅度。

验证单原子的第三步：鉴定单原子结构。

EXAFS径向结构函数显示Cu@NG在约1.5 Å处存在Cu–N配位峰，而约2.2 Å处未出现Cu–Cu金属键特征峰。该关键信号的缺失，结合拟合所得结构参数（配位数、键长及德拜-沃勒因子），确证铜以孤立单原子形式存在，形成Cu–Nₓ结构（研究进一步明确为Cu–N₂构型），排除了团簇或纳米颗粒的存在。

同步辐射如何优化单原子催化剂？

对比不同合成条件下（如热解温度、前驱体比例）样品的EXAFS谱。选择Cu–Cu峰最弱甚至没有，而Cu–N/O峰最强的条件，确保单原子分散度最高。

在上述研究中，通过控制极低的前驱体浓度（0.5 mg/mL），成功实现了单原子的最大化分散。华算科技提供的同步辐射XAS测试，能够快速为您筛选出最优合成方案，避免因表征盲区而走入误区。

为什么我的催化剂性能好（或不好）？

催化剂在反应过程中结构稳定吗？

如何与其他表征联用？

同步辐射的结论需要与其他技术相互印证，形成完整的证据链：

HAADF-STEM：直接“看到”孤立的明亮原子点（单原子），并与EXAFS的统计性结果互补。

XPS：提供表面元素的化学态信息，与XANES的体相氧化态结果相互验证。

Raman与XRD：分别反映碳载体缺陷程度与晶相结构，辅助判断是否形成Cu团簇。

TGA与FTIR：分析热解过程与表面官能团，理解合成路径与配位环境。

同步辐射是单原子催化的关键

单原子催化研究核心在于精准区分金属物种是单原子分散态，还是易混淆的团簇或纳米颗粒。

若将团簇误认为单原子，后续对构—效关系的阐释与反应机理推演将偏离正确方向，导致研究的逻辑基础崩塌，甚至在投稿顶尖期刊时难以通过基础的结构验证。

唯有确认金属中心以“单原子”形式存在，才能进一步揭示其配位环境（如Cu–N₂）与电子特性（如Cu(I)），从而真正阐明“结构如何决定性能”。

而同步辐射X射线吸收谱（XAS）可以为 “单原子” 身份提供可靠认证 —— 通过EXAFS分析，若无金属-金属键特征峰，即可证明其为单原子分散；同时还能精确解析配位结构（如Cu–N₂）与电子态（如Cu(I)）。

然而高质量的同步辐射XAS数据的获取常面临挑战：机时紧张、周期漫长、数据质量参差不齐……你是否也因测试环节的种种阻碍，而难以推进单原子结构的验证？