EXAFS拟合中的配位数来自吸收原子周围近邻原子的散射振幅。第一壳层峰强度随近邻数量增加而增强,又受S0²、无序度、k 区间和拟合路径影响。单原子催化剂里常见的 Fe-N4 或 Pt-Fe 配位结构,配位数多指金属中心附近的近邻计数,完整位点身份还包含键长、轴向配体和邻近原子。

PtFe/FeN4CCl 的结构结果把 PtFe 金属间化合物和 FeN4CCl 位点放在同一碳基材料中。XRD、HAADF-STEM、元素分布和 EELS 给出相结构、原子分散和元素相邻关系。单个 Fe 位点周围的第一壳层信息只覆盖近邻计数,PtFe 纳米相与轴向 Cl 还会改变局域电子场。
轴向 Cl 配体把平面 Fe-N4 位点改成带垂直配位场的 FeN4CCl 位点。Cl 与 Fe 之间的相互作用改变Fe 3d 轨道能级,PtFe 相邻区域又把电子密度重新分配到 Fe 与 Pt 周围。d 轨道占据和未占据态密度在配位数相近时仍会改变含氧中间体的键合强度。

Pt L3 边 XANES、FT-EXAFS 和 WT-EXAFS 把 Pt 的价态、Pt-Pt/Pt-Fe 路径和局域结构分开记录。边位和白线强度对应未占据态变化,R 空间峰和拟合曲线对应近邻壳层。同一材料中 Fe 与 Pt 的局域结构各自占据不同吸收边。
第一壳层之外还有第二配位圈。PtFe 金属间相、碳层中的 N 原子、轴向 Cl 和 FeN4 中心形成一个电子耦合环境。相邻金属相不改变 Fe-N 计数,却能改变 Fe 周围电荷密度、Pt 位点 d 带位置和 O2 吸附构型。O-O 键长和电子转移路径会随吸附物在 Fe、Pt 或界面附近的位置改变。

ELF、差分电荷、Bader 电荷和 PDOS给出电子分布的四组信息。Fe 3d 轨道、Pt d 轨道和 O2 轨道在吸附后发生杂化,ORR 自由能路径对应 OOH、O 和 OH 中间体的能量差。反应速率差别来自位点电子态和中间体能量之间的匹配。
ORR 中,O2、OOH、O 和 OH会依次占据金属中心或邻近界面。吸附太弱时 O2 活化不足,吸附太强时 OH 脱附受阻。配位数相同的位点在工作电位下拥有不同覆盖度,金属-氧键长和电子转移速率在工作电位下分成不同状态。

Pt1Fe/FeN4CCl、Pt2Fe/FeN4CCl 和 Pt3Fe/FeN4CCl 的 ORR 极化曲线、Tafel 斜率、质量活性和稳定电流给出反应输出。质量活性和面积活性把 Pt 含量与反应电流分开,Tafel 斜率记录电流随过电位增长的快慢。结构相近的样品在酸性电解液中呈现不同氧还原动力学。
XANES读取吸收边位置、白线强度和预边峰,对应价态、未占据态密度和局域对称。EXAFS 读取N、R、sigma2 和 DeltaE0,对应配位数、键长、无序度和能量校正。电子结构计算给出电荷转移、PDOS、d 带中心和吸附自由能,电化学曲线记录界面反应速率。

键长和吸附自由能把结构参数与反应中间体能量连到一起。Fe-O 和 Pt-O 键长改变 OOH、O 和 OH 的稳定程度,轴向 Cl 让Fe 3d 轨道电子离域,PtFe 合金的晶格收缩移动 d 带中心。同一近邻计数下,轴向配体、第二配位圈、键长和 d 带中心共同决定单位位点反应速率。
