汪思聪, 庞贝贝, 刘潇康, 丁韬, 姚涛

高等学校化学学报 2022, 43 (9): 20220487-. DOI:10.7503/cjcu20220487

摘要（1986）

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X射线吸收精细谱学(XAFS)技术是从20世纪80年代开始逐渐发展起来的一种材料表征技术, 具有对中心吸收原子的局域结构和化学环境敏感的特征, 非常适合表征单原子催化剂. 本文从XAFS技术的原理和特点出发, 深入探讨了该技术在电催化水分解、燃料电池阴极反应和二氧化碳电化学还原等多个单原子催化应用场景下的独特作用, 并展望了XAFS技术在单原子电催化领域的未来发展与应用前景, 以期为更深入明确的单原子催化剂结构表征和电催化机理描述提供指导.

Fei等［40］提出了一种普适的单原子催化剂合成方法［图8（A）］，制备了一系列M-NHGF催化剂（M=Fe， Co， Ni， NHGF=nitrogen-doped holey graphene framework）. 这些催化剂均具有可观的碱性OER活性（性能最佳的Ni-NHGF催化剂在10 mA/cm2电流密度下的过电位达331 mV，和商用RuO₂/C催化剂接近）和稳定性. 结合EXAFS拟合［图8（B）］和XANES模拟计算，他们精确表征了这些催化剂金属位点的近邻结构，发现它们都具备独特的M-N₄C₄O结构，并在高倍率TEM图像上找到了直观的证据［图8（C）］. 他们还结合DFT理论计算，探索了这一系列催化剂的作用机理，并对Ni-NHGF最优的性能给出了合理的解释. 这一工作为普适性OER单原子催化剂的合成与机理描述提供了全新的思路.

（A） In situ XANES spectra of Co K-edge during HER process；（B） normalized difference spectra of Co K-edge XANES；（C） fitted average oxidation state of Co obtained from XANES；（D） the first-shell fitting of EXAFS spectra. Inserts are the corresponding geometric configurations. Grey， blue， red， purple， and cyan balls represent C， N， O， H and Co atoms， respectively. ...

... 氧气生成反应（Oxygen evolution reaction， OER）是电解水制氢反应的阳极半反应，与HER反应相互对应. 然而，与HER不同，大部分Pt基催化剂和其它贵金属基催化剂在OER反应端的活性一般［37~39］，而基于化学反应动力学火山峰预测研制的各种金属氧化物催化剂又难以在实际工业生产条件下稳定工作，这使得OER催化剂的研发与HER催化剂相比相当滞后. 过渡金属基单原子催化剂可以很好地兼顾催化剂的质量活性和稳定性，近年来在OER反应中得到广泛的关注. 而XAFS技术因其对单原子催化剂强大的表征能力，在这种新式催化剂的作用机理阐明中发挥了关键的作用. ...

... Fei等［40］提出了一种普适的单原子催化剂合成方法［图8（A）］，制备了一系列M-NHGF催化剂（M=Fe， Co， Ni， NHGF=nitrogen-doped holey graphene framework）. 这些催化剂均具有可观的碱性OER活性（性能最佳的Ni-NHGF催化剂在10 mA/cm2电流密度下的过电位达331 mV，和商用RuO₂/C催化剂接近）和稳定性. 结合EXAFS拟合［图8（B）］和XANES模拟计算，他们精确表征了这些催化剂金属位点的近邻结构，发现它们都具备独特的M-N₄C₄O结构，并在高倍率TEM图像上找到了直观的证据［图8（C）］. 他们还结合DFT理论计算，探索了这一系列催化剂的作用机理，并对Ni-NHGF最优的性能给出了合理的解释. 这一工作为普适性OER单原子催化剂的合成与机理描述提供了全新的思路. ...

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