同步輻射技術由于其高亮度、高通量、優(yōu)良的定向性、偏振性和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，在非均相催化領域被公認為全面的表征平臺。近年來，我校材料科學與工程學院清潔能源材料與器件團隊在人工光合成反應結(jié)合同步輻射分析技術應用方面取得系列研究進展，應國際知名學術期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》主編Frank Maa?博士邀請，撰寫了題為“In situ/Operando Synchrotron Analytical Techniques for CO2/CO Reduction Reaction: From Atomic Scales to Mesoscales”的綜述論文，介紹了原位/工況同步輻射分析技術在CO2/CO還原反應中跨尺度應用。
利用可再生電力將二氧化碳/一氧化碳（CO(2)）轉(zhuǎn)化為增值燃料展現(xiàn)出了巨大的吸引力。盡管在這方面已取得了顯著的研究進展，但CO(2)電解體系在綜合效率和穩(wěn)定性方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。在CO(2)RR過程中，電催化劑的化學組成、局域配位環(huán)境、晶體結(jié)構等通常會受到微環(huán)境和施加電位的影響，經(jīng)歷不可避免的動態(tài)結(jié)構變化；氣體擴散電極（GDE）也面臨由于電極擊穿和鹽析造成的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)；膜電極（MEA）器件內(nèi)的電子、離子傳輸也直接影響電極界面的微環(huán)境及相應的性能。鑒于CO(2)RR的性能和穩(wěn)定性高度依賴于催化劑材料和反應器件，深入研究原位/工況條件下電催化劑材料的原子組態(tài)以及MEA器件內(nèi)的動態(tài)演變規(guī)律，對深入理解CO(2)電解過程尤為重要。
圖1 原位/工況同步輻射分析技術應用于CO2/CO還原反應示意圖。
面向同步輻射在CO(2)電解中的跨尺度表征應用，我校楊化桂教授團隊聯(lián)合中國科學技術大學國家同步輻射實驗室姜政教授團隊發(fā)表相關綜述。基于不同波長同步輻射光源的特點，從紅外到硬X射線，展示了其在多尺度分辨率和多模式敏感性方面的獨特優(yōu)勢。通過比較相應表征技術的優(yōu)勢、局限性和互補性，為讀者提供了清晰的指導和借鑒，幫助選擇適合的原位/工況同步輻射表征技術，以便解析涉及復雜氣-液-固界面的催化劑和反應器件。
通過回顧多年來CO(2)RR領域的研究，本綜述創(chuàng)新性地總結(jié)并介紹了同步輻射在CO(2)RR中從原子尺度到介觀尺度的跨尺度應用，涵蓋從電子結(jié)構、原子排布、分子構型、晶體結(jié)構到器件應用等不同角度的動態(tài)演化過程，提供了關于CO(2)RR復雜動態(tài)過程的全面分析。考慮到CO(2)RR電解的性能和穩(wěn)定性高度依賴于電解裝置，本綜述不僅討論了針對催化劑結(jié)構的表征，還闡明了同步輻射技術在揭示電解槽內(nèi)部動態(tài)變化以及加速工業(yè)裝置發(fā)展方面的應用潛力。
圖2a) 同步輻射產(chǎn)生的X射線實驗方法分類。b) 同步輻射表征技術在CO(2)RR中從原子尺度到介觀尺度的跨尺度應用，涵蓋從電子結(jié)構、原子排布、分子構型、晶體結(jié)構到器件應用等不同角度的動態(tài)演化過程。
最后，在總結(jié)和展望部分，本綜述進一步討論了同步輻射表征在CO(2)電解應用中面臨的挑戰(zhàn)，就如何利用第四代先進光源來解碼從材料到器件的動態(tài)演變過程做出了展望：包括提升同步輻射表征技術在表面分析方面的靈敏度；改善光譜能量分辨率和時空分辨率；設計適用于原位表征的器件并發(fā)展針對器件尺度的表征技術；開發(fā)多種表征技術同步聯(lián)合應用平臺。得益于第四代同步輻射裝置的蓬勃發(fā)展，先進的光源將極大地豐富同步加速器的應用，為CO(2)RR及其他重要的催化反應開辟了新的視野。
該綜述主要由我校材料科學與工程學院博士生徐藝凝在劉鵬飛副教授、楊化桂教授及中國科學技術大學國家同步輻射實驗室姜政教授等人的指導下完成，研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市基礎研究特區(qū)等項目的支持。
文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/ange.202217296