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)機理

精準識別催化材料表面納米尺度的活性位點結(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，無法實現(xiàn)對真實活性位點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行微區(qū)分析，有望為辨別和追蹤催化表界面真實活性位點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)國家同步輻射實驗室、精準智能化學(xué)重點實驗室姚濤教授團隊在納米級空間分辨紅外成像及催化研究中取得新進展。研究團隊通過多模態(tài)紅外成像和原位同步輻射X射線吸收譜技術(shù)，首次從實驗上直接觀察到活性物種在催化劑表面的空間分布，并進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)。

研究團隊依托合肥國家同步輻射實驗室自由電子激光原子力顯微-紅外光譜(AFM-IRFEL)實驗站對Ir-Co雙位點協(xié)同催化甲酸氧化反應(yīng)進行了深入研究。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)合共振增強技術(shù)，進一步提高檢測靈敏度，從而實現(xiàn)單分子層樣品的高靈敏度探測。研究團隊發(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、科技部重點研發(fā)計劃等項目的資助，也得到了合肥國家同步輻射實驗室、上海和北京同步輻射裝置測試機時的支持。

審核編輯 黃宇