催化材料能夠加速并高效完成能量的轉化，并且催化反應過程往往都是發(fā)生在材料的表界面。

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態(tài)變化過程以及能量轉化機制具有重要意義。

在工業(yè)實際應用的電催化能量轉化反應環(huán)境中，由于催化材料與電解質溶液接觸的固-液表界面處的活性中心和吸附反應物的濃度極低、以及活性位原子結構隨外加電場的動態(tài)變化，給探測真實反應活性位點的結構和中間過渡態(tài)造成了很大的困難和挑戰(zhàn)。

高亮度的先進同步輻射光源為研究這一亟待突破的電催化能量轉化機制問題提供了契機，高度靈敏的同步輻射X射線吸收精細結構譜學(XAFS)技術就能夠在工作服役條件下對上述科學問題進行原位實時的在線探測。

近日，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室教授韋世強、姚濤課題組與化學與材料科學學院教授楊金龍課題組合作，發(fā)展了原位同步輻射XAFS技術結合理論計算，精確鑒別出鈷基催化劑在電催化析氫反應過程中活性位點的真實結構和動態(tài)演化過程。

催化材料（下）幫助水分子分解出氫分子，同步輻射儲存環(huán)中引出來一束電子束（圖左），照在材料反應的表面，將這個過程精細反映出來，即圖片上方的水滴中催化材料活性位發(fā)生的水解氫過程。

研究團隊依托合肥、北京和上海同步輻射光源建立了在線Operando XAFS測試裝置，實時監(jiān)測高度均一的鈷基單原子催化材料在堿性電催化析氫反應環(huán)境下原子和電子結構的演變過程。

研究人員觀察到，在反應過程中該催化材料并非始終維持初始的“Co₁-N₄”結構，而是先進行自我優(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)”反應中間體。

理論計算證實了這些中間體構型并進一步揭示了反應的機理。性能實驗表明，此高活性的催化材料在析氫反應中僅需89 mV過電位即可達到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)了其潛在的應用前景。

此項工作中，研究團隊利用原位同步輻射譜學技術發(fā)現(xiàn)了活性位在電催化反應過程中的高度敏感性，揭開了催化材料在實際工作狀態(tài)中的真實面紗。

這種原位同步輻射譜學技術同樣適用于研究其它光電能量轉化反應中催化材料表界面的動態(tài)過程，此發(fā)現(xiàn)也為從原子尺度探究催化活性中心結構和反應機理提供了實驗基礎和理論指導，并為今后設計高效的能量轉化材料提供了新的思路。

中國科大博士生曹林林、特任副研究員羅其全和博士后劉煒是論文的共同第一作者。

Cao L, Luo Q, Liu W, et al. Identification of single-atom active sites in carbon-based cobalt catalysts during electrocatalytic hydrogen evolution[J]. Nature Catalysis, 2018: 1.