原位同步辐射揭示电催化真实反应活性位点

　　利用光电能量驱动实现可再生能源的有效转化，是构建现代绿色能源的关键技术。催化材料能够加速并高效完成能量的转化，并且催化反应过程往往都是发生在材料的表界面，由于催化材料与电解质溶液接触的固-液表界面处的活性中心和吸附反应物的浓度极低、以及活性位原子结构随外加电场的动态变化，给探测真实反应活性位点的结构和中间过渡态造成了很大的困难和挑战。因此，探明在服役状态下催化材料的表界面原子和电子的动态变化过程以及能量转化机制具有重要的意义。 

　　基于此，中国科学技术大学国家同步辐射实验室姚涛教授和韦世强教授课题组，依托北京同步辐射光源1W1B-XAFS实验站，发展了原位同步辐射XAFS技术结合理论计算精确鉴别出钴基催化剂在电催化析氢反应过程中活性位点的真实结构和动态演化过程，研究人员观察到在反应过程中该催化材料并非始终维持初始的“Co₁-N₄”结构，而是先进行自我优化，吸附溶液中的氢氧根离子形成高氧化态的“HO-Co₁-N₂”活性中心，随着电位的增加，水吸附到活性中心生成“H₂O-(HO-Co₁-N₂)”反应中间体；理论计算证实了这些中间体构型并进一步揭示了反应的机理。性能实验表明此高活性的催化材料在析氢反应中仅需89 mV过电位即可达到10 mA·cm^-2的电流密度，性能和稳定性均已接近目前商业贵金属铂碳纳米催化剂，展现了其潜在的应用前景。研究成果于2019年1月1日在线发表在《自然·催化》期刊上 (Nature Catalysis 2, 134 (2019))。

　　　　图：原位同步辐射揭示电催化真实反应活性位点工作示意图。 

　　此项工作中，研究团队利用原位同步辐射谱学技术发现了活性位在电催化反应过程中的高度敏感性，揭开了催化材料在实际工作状态中的真实面纱。这种原位同步辐射谱学技术同样适用于研究其它光电能量转化反应中催化材料表界面的动态过程，此项发现也为从原子尺度探究催化活性中心结构和反应机理提供了实验基础和理论指导，同时为今后设计高效的能量转化材料提供了新的思路。

　　发表文章： 

　　Linlin Cao, Qiquan Luo, Wei Liu, Yue Lin, Xiaokang Liu, Yuanjie Cao, Wei Zhang,Yuen Wu, Jinlong Yang, Tao Yao* and Shiqiang Wei. Identification of single-atom active sites in carbon-based cobalt catalysts during electrocatalytic hydrogen evolution. Nature Catalysis 2, 134 (2019).