Small Science:X射线吸收光谱——探索水分解和CO2还原电催化剂的“终极武器”

小分子诸如H2O、H2、O2和CO2在气候变化、能源危机和环境问题中发挥着关键作用。这些小分子产品通常是在化学工业中产生或转化的。通过化学键重组,这些小分子产品参与了许多与能量储存和转换相关的基本反应。因此,它们是淘汰当前化石能源结构的所有技术路线图的重要组成部分。人们正致力于将这些小分子转化为高附加值的化学燃料。然而,掌握这些小分子的化学性质仍然是一个重大的挑战。这些小分子化学性质稳定,因此对于它们的化学转化是高能耗的。此外,这种转变涉及一个多步骤的电子过程,通常与质子转移耦合,反应途径是多样和复杂的。弄清这类反应的基本机理对化学研究人员来说是一项艰巨的挑战,而解决这一挑战对催化剂的合理设计和构建至关重要。受自然的启发,研究人员利用金属来激活这些相对稳定的分子,并以各种方式调节它们的反应活性,包括热催化、光催化、和电催化。电催化是许多清洁能源转化和储存的核心。开发高效的电催化剂来提高这些小分子的活性和反应性是一个重要的研究方向。迄今为止,已有大量的电催化剂在电催化水裂解和CO2还原反应中表现出了出色的性能。尽管许多已报道的电催化剂在实验室中表现出了优异的性能,但这些催化剂优异的电催化活性,选择性的来源以及结构演变仍不明确。

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大连化物所章福祥研究员课题组综述了原位X射线吸收光谱(XAS)在电催化水裂解和CO2还原体系中的最新研究进展——使用原位X射线技术和原子尺度扫描透射电子显微镜(STEM)用于电极-电解质界面研究。本文着重介绍了该技术用于(1)确定活性成分,(2)探索催化剂表面结构演变,(3)识别反应中间体的可行性,强调了创新的原位XAS表征的重要性。最后,探讨了该技术未来的挑战和前景,为利用XAS技术研究电催化水裂解和CO2还原反应提供指导。

文章重点一

XAS技术简介,包括XANES和EXAFS(图1)。

图1 a) XAS光谱包括三个区域:pre-edge(红色),XANES(青色)和EXAFS(绿色);b)透射模式和c)荧光模式测量XAS的示意图。

文章重点二

原位XAS技术简介,原位电解池(图2)

图2 a)未组装的XAS电解池(上)和带有样品组装的XAS电解池(下);b)原位XAS装置:电解池壁为Si3N4,在Au/Ti层上电沉积了MnOx,电解池壁面向x射线;c)用于荧光模式下XAS的电解池。

文章重点三

原位XAS技术在电催化水裂解和CO2还原方向的研究实例(图3、图4)

图3 原位技术用于研究电催化水裂解。
图4 原位XAS技术用于研究电催化CO2还原。

论文信息:

Application of X-Ray Absorption Spectroscopy in Electrocatalytic Water Splitting and CO2 Reduction

Bin Wang, Shengqi Chu, Lirong Zheng, Xiaodong Li, Jiangwei Zhang, Fuxiang Zhang*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100023

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202100023