中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)毫秒同步輻射X射線譜學(xué)探測(cè)催化劑非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】精準(zhǔn)追蹤催化反應(yīng)過(guò)程中活性中心結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)演化，對(duì)于解析催化劑活性增強(qiáng)機(jī)制至關(guān)重要。然而，常規(guī)原位X射線譜學(xué)技術(shù)通常在分鐘到秒量級(jí)時(shí)間尺度內(nèi)探測(cè)催化劑的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)變化，難以有效捕捉具有高度動(dòng)態(tài)和快速演化特性的非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)信息，嚴(yán)重制約了對(duì)催化機(jī)理的深入理解。為此，亟需發(fā)展具備高時(shí)間分辨能力的原位X射線譜學(xué)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)非平衡態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)、高精度追蹤。此外，隨著時(shí)間分辨率的提升，實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的海量且復(fù)雜的譜學(xué)數(shù)據(jù)使得傳統(tǒng)依賴人工解讀的方式變得愈發(fā)困難。因此，開(kāi)發(fā)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理、精準(zhǔn)挖掘與深度分析，顯得尤為迫切。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室與核科學(xué)技術(shù)學(xué)院姚濤教授團(tuán)隊(duì)，在捕捉電催化劑非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)的時(shí)間分辨同步輻射X射線譜學(xué)研究中取得了新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)采用能量色散X射線吸收譜(ED-XAFS)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了毫秒級(jí)(60 ms)時(shí)間分辨全譜“單次采集”，極大地提升了數(shù)據(jù)采集的效率與精度。結(jié)合無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從數(shù)萬(wàn)張譜圖中快速識(shí)別并篩選出催化劑重構(gòu)過(guò)程中涉及的關(guān)鍵主成分相。通過(guò)對(duì)這些主成分隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行定量解析，精確捕捉到非平衡態(tài)中間體的特征結(jié)構(gòu)信息及其動(dòng)態(tài)形成規(guī)律(圖1)。相關(guān)研究成果以“Time-resolved spectroscopy uncovers deprotonation-induced reconstruction in oxygen-evolution NiFe-based (oxy)hydroxides”為題，發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然•通訊》。
 

　　團(tuán)隊(duì)與上海光源動(dòng)力學(xué)線站(BL 05U)合作，利用色散彎晶與位敏探測(cè)器，成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)干擾的高精度、高穩(wěn)定性毫秒級(jí)時(shí)間分辨全譜采集。針對(duì)該技術(shù)特點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)自主研制了適用于電催化體系的原位裝置，深入研究了鎳鐵氫氧化物(NiFe LDH)在電催化析氧反應(yīng)(OER)中的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法的深度解析，首次在毫秒時(shí)間尺度捕捉到NiFe LDH在脫質(zhì)子過(guò)程中關(guān)鍵中間體的特征結(jié)構(gòu)信息。結(jié)果表明，F(xiàn)e的引入顯著加速了NiFe LDH的脫質(zhì)子過(guò)程，尤其是優(yōu)先移除共邊[NiO6]和[FeO6]八面體之間橋接羥基(Ni2+-OH-Fe3+)上的質(zhì)子。這一行為觸發(fā)了高價(jià)Ni3+δ活性物種的生成，從而顯著提升了OER活性。此研究不僅展示了ED-XAFS技術(shù)在捕捉非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)研究中的巨大潛力，也凸顯了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法在復(fù)雜體系解析中的重要作用。
 

　　論文的通訊作者是姚濤教授、姜政教授和曹林林特任副研究員，博士研究生吳丹為第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，并獲得了合肥、上海及北京光源的機(jī)時(shí)支持。
 

圖.毫秒時(shí)間分辨ED-XAFS結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)捕捉催化劑非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)