说明：这篇文章由华算科技撰写，介绍了同步辐射在电催化与光催化体系中的原位研究方法。通过阅读，读者可以深入了解XAS、XRD、SAXS及SR-IR等技术在结构演化与活性机理解析中的作用，掌握同步辐射在多尺度联用与动态反应表征中的重要意义。
一、引言：为何“原位/工况”同步辐射对电催化与光催化至关重要
电催化与光催化体系在反应过程中常伴随价态、配位环境、晶相与纳米结构的快速重构，只有在真实反应条件下进行“原位/工况”观察，才能捕捉瞬态物种与结构演化的关键证据。同步辐射光源具备高亮度、高准直性与宽能区可调特性，显著提升了X射线吸收谱（XAS）、衍射（XRD）与散射（SAXS）等方法的灵敏度与时间分辨能力，为复杂反应体系提供从电子结构到晶格、有序到无序的多尺度信息通道。相关综述系统阐述了这些方法的原理、适用材料与在电化学体系中的应用需求，强调原位/工况表征对机理解析的重要性。
二、XAS：原位揭示价态—配位—活性位之间的内在联系
XAS的XANES区敏感于价态、共价性与局部配位环境，EXAFS区可解析键长、配位数与无序度；多种探测模式还决定了不同的取样深度，使其既可面向表界面也可面向体相开展研究，这些优势使XAS成为原位反应跟踪的“通用显微镜”。
在电化学能储与电催化体系中，原位高分辨Ni K边XAS清晰追踪正极材料在充放电过程的价态可逆起伏（约+2至+3），与循环稳定性相呼应，展示了价态演化与宏观电化学性能之间的因果联动。
在化学催化模型体系中，原位XAS直接观测到反应过程中“预催化剂”向真实活性相的动态自重构现象，并提示在强还原或强氧化环境下会生成短寿命中间体与新活性相，这一认识推动了“活性位在线重构”的机理框架。
面向前沿应用，文献指出需发展更高时间分辨的XAS与耐高压差、抗干扰的原位池，同时与IR、拉曼、RIXS与HERFD-XAFS等协同，实现从金属中心到轻元素动态的全维度解析。
三、XRD与PDF：原位解码晶相转变与无序结构
Operando/原位XRD可在电极循环与偏压扫描过程中连续记录衍射花样，解析相变路线与晶格参数演化；结合原位XANES可同步给出价态漂移，实现结构—价态—性能的三维对应。在一类赝电容-电池双功能电极中，原位SR-XRD直观揭示离子交换诱导的相变路径，而K边XANES证实了过渡金属价态的上移，三类证据共同指向储能机制由相演化主导。
当体系生成纳米尺寸、强无序或短程有序相时，传统XRD仅反映布拉格散射的“长程平均”，难以还原真实机制；此时X射线对分布函数（PDF）通过全散射信息给出原子对相关的局域结构，对转换型电极与无定形/纳米相尤其关键，也为催化电极材料中的局域重排提供补充通道。
四、SAXS：原位洞察纳米尺度的形貌与孔道动力学
SAXS在0°–5°小角范围记录弹性散射强度，对粒径、形貌、孔径分布、内比表面积与溶液结构因子等参数敏感，且与XRD、IR、拉曼等可一体化开展原位、静态与动态实验，适合多孔纳米电极在充放电或电催化过程中形貌—结构的时间分辨研究。
需要注意的是，SAXS提供的是倒易空间的散射强度分布，需依赖模型拟合与统计平均来反演实空间结构；因此在催化与储能体系中，常将SAXS与XAS/XRD或光谱学联用，以实现“形貌—结构—电子态”的同步互证。
五、多模态原位联用：光催化体系的原子—介观一体化追踪
针对光催化材料的形成与演化，联用SAXS/XRD/XAFS的原位方案能够在等温等压条件下，从原子到介观尺度同步追踪结构生长、相组成与局域配位的协同变化，并配合Rietveld与PDF等解析流程，实现多尺度结构—性能的贯通解释。该联用策略已用于Bi基光催化材料的CO2辅助自组装过程研究，凸显了多方法一体化的优势与可推广性。
在更广应用中，同步辐射红外（SR-IR）与电化学流通/微型池的结合，使CO2还原（CO2RR）、析氧/尿氧化（OER/UOR）等体系的表面键合与中间体可被原位辨识；现代红外束线还提供从中红外到远红外的宽频覆盖、纳米—微米多尺度空间分辨与微米级成像能力，为反应“热点”与化学分布的可视化奠定基础。
六、原位成像：从形貌到化学态的时空同位
同步辐射X射线显微成像（XRM）随光源升级从静态走向动态、从形貌走向功能，并能在吸收/相位/布拉格相干等多种衬度下工作；在过渡金属吸收边附近开展谱学成像可将形貌与价态、化学配位等映射到同一空间坐标系中，且全场曝光时间可达几十毫秒，适合原位时间分辨研究与多模态联动。
层叠/扫描相干衍射成像（ptychography）已实现2–5 nm级分辨率，并可联动价态与应变场的解析，为电极/催化颗粒内部缺陷、畸变与离子迁移响应的定量成像提供了可能。
七、原位实验装置与辐照效应：数据可靠性的必要前提
原位衍射常用Kapton窗口与开孔双侧设计的电化学池（如AMPIX原型），允许X束穿透与循环同步采集；在循环伏安与恒电位等工况下，XRD与XANES可同步获取，实现结构—价态—电化学的闭环关联。
同时需重视高通量束流引发的辐射损伤与谱/衍射曲线漂移风险，尤其在时间分辨研究中易将“辐照诱导效应”误判为真实反应信号；因此应通过剂量控制、对照实验与多模态互证来保障机理判断的稳健性。
八、面向电催化与光催化机理的综合范式与展望
综合XAS/XRD/SAXS/PDF与SR-IR、XRM等手段，在统一的原位反应平台上实现“结构—价态—形貌—功能”的多维联动，是破解电催化与光催化反应中活性相形成、短寿命中间体演化与界面耦合过程的关键路径。现有研究已证明原位XAS能够直接见证活性相的生成与可逆转变，原位XRD/XANES联动可描摹相变与价态同步漂移，多模态联用可把原子级配位变化与介观结构演化联系起来。
面向未来，发展更快时间分辨的XAS谱学、耐苛刻化学环境的原位反应池，并强化与RIXS、HERFD-XAFS及振动谱的协同，将有望在真实工况下实现从金属中心到轻元素的全景机理刻画，进一步推动电催化与光催化材料—结构—性能—机理的同位连接。
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