圖.多模態(tài)納米紅外成像和原位同步輻射技術(shù)揭示催化反應(yīng)機(jī)理

精準(zhǔn)識別催化材料表面納米尺度的活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)及反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間吸附物種，對于理解催化反應(yīng)與材料結(jié)構(gòu)之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)性至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)光譜技術(shù)僅能獲取催化材料表面的系綜平均信息，無法實(shí)現(xiàn)對真實(shí)活性位點(diǎn)在納米尺度的高空間分辨鑒別。因此，基于突破光學(xué)衍射極限的原子力顯微鏡-紅外光譜聯(lián)用技術(shù)，在高空間分辨率下對材料形貌和表面吸附物種進(jìn)行微區(qū)分析，有望為辨別和追蹤催化表界面真實(shí)活性位點(diǎn)提供一種新的研究范式。

有鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、精準(zhǔn)智能化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚濤教授團(tuán)隊(duì)在納米級空間分辨紅外成像及催化研究中取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過多模態(tài)紅外成像和原位同步輻射X射線吸收譜技術(shù)，首次從實(shí)驗(yàn)上直接觀察到活性物種在催化劑表面的空間分布，并進(jìn)一步建立了不同間距下Ir-Co協(xié)同催化活性與其空間位置的固有相關(guān)性。相關(guān)研究成果以“Visualization of the Distance-Dependent Synergistic Interaction inHeterogeneous Dual-Site Catalysis”為題，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會志》(J. Am. Chem. Soc.Doi: 10.1021/jacs.4c10613)。

研究團(tuán)隊(duì)依托合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室自由電子激光原子力顯微-紅外光譜(AFM-IRFEL)實(shí)驗(yàn)站對Ir-Co雙位點(diǎn)協(xié)同催化甲酸氧化反應(yīng)進(jìn)行了深入研究。AFM-IR聯(lián)用AFM和IR光譜技術(shù)，同時獲得樣品局域結(jié)構(gòu)和化學(xué)指紋信息，空間分辨率優(yōu)于10 nm。結(jié)合共振增強(qiáng)技術(shù)，進(jìn)一步提高檢測靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)單分子層樣品的高靈敏度探測。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Ir-Co催化劑中C-O信號和O-H信號在空間上高度重疊，為協(xié)同催化的實(shí)現(xiàn)提供直觀可視化證據(jù)。此外，紅外光譜中 C-O 信號的峰位偏移為反應(yīng)物種間的協(xié)同作用提供了有力的譜學(xué)證據(jù)。高空間分辨成像結(jié)果揭示了反應(yīng)物種在催化劑表面裂縫處的集中分布，裂縫區(qū)域表現(xiàn)出顯著的活性。這些區(qū)域的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，如懸掛鍵和缺陷是其高催化活性的主要來源。材料表面成像差異反映了位置相關(guān)的催化反應(yīng)活性，為化學(xué)反應(yīng)路徑和催化活性的調(diào)控提供了重要的科學(xué)指導(dǎo)。

論文的通訊作者是姚濤教授、丁韜特任研究員和劉瀟康特任高級工程師，共同第一作者是碩士研究生蔣帥威、薛佳偉特任高級工程師和劉統(tǒng)博士。相關(guān)研究得到了國家杰出青年基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，也得到了合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、上海和北京同步輻射裝置測試機(jī)時的支持。

審核編輯 黃宇