利用實(shí)驗(yàn)室XANES改進(jìn)電解催化劑
原位電轉(zhuǎn)換研究
在無碳的未來，儲(chǔ)能系統(tǒng)在補(bǔ)償可再生能源的可變性方面變得越來越重要。電解水制氫代表著潛在的季節(jié)性分散式儲(chǔ)能的基石。雖然電解，水的電化學(xué)分解已經(jīng)問世好幾個(gè)世紀(jì)了，但其潛在的基本反應(yīng)仍未被完全理解。特別是對(duì)于析氧反應(yīng)（OER），水電解槽的陽極反應(yīng)，確切的反應(yīng)機(jī)理和理想的催化劑仍有待研究。在活性和穩(wěn)定性方面尋求改進(jìn)的催化劑是很重要的，因?yàn)?OER 目前是電解的瓶頸。受光合作用的啟發(fā)，科學(xué)家們研究了錳基催化劑以促進(jìn) OER 過程。
盡管錳氧化物是提高 OER 很有前景的候選者，但結(jié)果表明它們的催化活性和穩(wěn)定性在很大程度上取決于制備過程。大多數(shù)研究的合成過程在數(shù)小時(shí)內(nèi)會(huì)造成低活性或劣化。相比之下，使用金屬間化合物前體，即 MnGa4，它是一種具有卓越性能的耐用催化劑 。MnGa4前驅(qū)體進(jìn)行原位電轉(zhuǎn)換，詳細(xì)研究這種化學(xué)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對(duì)于提高 OER 至關(guān)重要。兩種成分的氧化態(tài)可以通過聯(lián)用X射線光電子能譜 (XPS) 和 X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜（XANES）進(jìn)行監(jiān)測。這種聯(lián)用功能十分強(qiáng)大，因?yàn)閄PS探測表面，而 XANES是體敏感的。
基于實(shí)驗(yàn)室的新型 XANES 德國HPS公司的hiXAS是一種基于實(shí)驗(yàn)室的 XAS 解決方案，可用于高分辨率 XANES 和寬帶寬 EXAFS 測量，標(biāo)準(zhǔn)配置能量范圍 5-12keV。hiXAS使用了基于高效率HAPG晶體的von Hamos光譜儀結(jié)構(gòu)。受益于其非掃描式、多道址同時(shí)測量的高效光路，該設(shè)備可用于原位測量與過程研究。這個(gè)新工具已經(jīng)使好幾個(gè)研究領(lǐng)域的應(yīng)用受益。 圖 1 hiXAS 用于寬帶光譜的高效率收集的結(jié)構(gòu) 在本研究中，hiXAS 分別用于記錄制備過程中和 OER 循環(huán)后 Mn 和 Ga 的 XANES 光譜。圖 2 顯示了該過程中氧化態(tài)的變化。與參考光譜的比較表明，循環(huán)后在整個(gè)體積內(nèi)的Mn介于Mn3+和 Mn4+之間，而 Mn4+在表面（表面結(jié)果來自 XPS）。Ga從表面消失（XPS 不再檢測到）,并且內(nèi)部Ga從金屬變?yōu)?Ga3+。 圖2 左圖在合成、沉積和OER過程后，Mn的XANES譜圖；右圖：Ga相關(guān)光譜。箭頭表示了由于氧化引起的吸收邊移動(dòng)。 用XANES作為一種無損和快速的測量方法，讓在原位條件下跟蹤催化劑的演變成為現(xiàn)實(shí)。通過這種方法，hiXAS為研究人員提供了對(duì)催化劑氧化狀態(tài)的持續(xù)和有價(jià)值的信息。 相關(guān)閱讀：使用實(shí)驗(yàn)室XANES優(yōu)化合成氣轉(zhuǎn)化催化劑 參考文獻(xiàn) 1. Schlesiger et al. J.Anal. At. Spectrom., 2015, 34, 1409 - 1415 2. Schlesiger et al. J.Anal. At. Spectrom., 2020, 35,2298 3. Ditrakopoulou et al. Faraday Discuss.,2018,208,207 4. Bekheet et al. ACS Catal., 2021, 11, 1, 43 - 59 5. Lima Oliveira et al., ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 30, 11171 - 11182 6. Prashanth et al., Angew. Chem. Int. Ed . 2019, 58, 1 -7 7. Zhao et al. J. am. Chem. Soc. 2019, 141 (16), 6623 - 6630 8. Le et al. ACS Catal. 2017, 7 (21), 1403 -1412
