利用光電能量驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)可再生能源的有效轉(zhuǎn)化，是構(gòu)建現(xiàn)代綠色能源的關(guān)鍵技術(shù)。催化材料能夠加速并高效完成能量的轉(zhuǎn)化，并且催化反應(yīng)過(guò)程往往都是發(fā)生在材料的表界面，由于催化材料與電解質(zhì)溶液接觸的固-液表界面處的活性中心和吸附反應(yīng)物的濃度極低、以及活性位原子結(jié)構(gòu)隨外加電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，給探測(cè)真實(shí)反應(yīng)活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和中間過(guò)渡態(tài)造成了很大的困難和挑戰(zhàn)。因此，探明在服役狀態(tài)下催化材料的表界面原子和電子的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程以及能量轉(zhuǎn)化機(jī)制具有重要的意義。 

　　基于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室姚濤教授和韋世強(qiáng)教授課題組，依托北京同步輻射光源1W1B-XAFS實(shí)驗(yàn)站，發(fā)展了原位同步輻射XAFS技術(shù)結(jié)合理論計(jì)算精確鑒別出鈷基催化劑在電催化析氫反應(yīng)過(guò)程中活性位點(diǎn)的真實(shí)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，研究人員觀察到在反應(yīng)過(guò)程中該催化材料并非始終維持初始的“Co₁-N₄”結(jié)構(gòu)，而是先進(jìn)行自我優(yōu)化，吸附溶液中的氫氧根離子形成高氧化態(tài)的“HO-Co₁-N₂”活性中心，隨著電位的增加，水吸附到活性中心生成“H₂O-(HO-Co₁-N₂)”反應(yīng)中間體；理論計(jì)算證實(shí)了這些中間體構(gòu)型并進(jìn)一步揭示了反應(yīng)的機(jī)理。性能實(shí)驗(yàn)表明此高活性的催化材料在析氫反應(yīng)中僅需89 mV過(guò)電位即可達(dá)到10 mA·cm^-2的電流密度，性能和穩(wěn)定性均已接近目前商業(yè)貴金屬鉑碳納米催化劑，展現(xiàn)了其潛在的應(yīng)用前景。研究成果于2019年1月1日在線發(fā)表在《自然·催化》期刊上 (Nature Catalysis 2, 134 (2019))。

　　　　圖：原位同步輻射揭示電催化真實(shí)反應(yīng)活性位點(diǎn)工作示意圖。 

　　此項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用原位同步輻射譜學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)了活性位在電催化反應(yīng)過(guò)程中的高度敏感性，揭開了催化材料在實(shí)際工作狀態(tài)中的真實(shí)面紗。這種原位同步輻射譜學(xué)技術(shù)同樣適用于研究其它光電能量轉(zhuǎn)化反應(yīng)中催化材料表界面的動(dòng)態(tài)過(guò)程，此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也為從原子尺度探究催化活性中心結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)，同時(shí)為今后設(shè)計(jì)高效的能量轉(zhuǎn)化材料提供了新的思路。

　　發(fā)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).