easyXAFS再登JMCA，催化结构如何表征？
电解水制氢是被认为是生产低碳清洁能源的有效手段。在众多电解槽中，质子交换膜(pem)电解槽由于其电流密度高、欧姆电阻小、集成度高、气体纯度高等优点，受到广泛研究。然而，在pem电解槽的酸性环境中，氧析出（oer）反应动力学缓慢，催化剂易被腐蚀，严重制约着其能量效率和使用寿命。因此，开发廉价、高效、稳定的酸性oer催化剂对于pem电解水技术的实际应用至关重要。
针对上述问题，大连化学物理研究所李杲团队合成了立方mncoox固溶体作为酸性oer催化剂，取得了优异的活性和稳定性。如图1a所示mncoox固溶体在10 ma cm-2和100 ma-2的电流下分别对应275 mv和569 mv的过电势，其活性超越了贵金属iro2。同时，该催化剂可在100 ma-2的电流下运行300小时且过电势无明显上升（图1b）, 其稳定性在目前的文献报道中处于前列水平。
图1. （a）mn1co5ox固溶体、co3o4、iro2的酸性oer过电势。（b）mn1co5ox固溶体的酸性oer稳定性测试。
随后，作者使用美国easyxafs公司的台式x射线吸收精细结构谱仪系统easyxafs300对mncoox固溶体催化剂的电子结构和局部配位进行了分析。图2a展示了co-k边的x-射线吸收近边结构 (xanes) 光谱，其中，mn1co5ox 的峰值强度与co3o4 相近，与 co单质不同。同时，mn1co5ox的边前峰与co3o4重合，证明 co2+ 和 co3+ 作为 mn1co5ox 中 co 物种的主要价态共存。如图2b所示，mn-k边的 xanes 光谱显示，mn1co5ox 的白线峰值强度明显高于参比物 mn3o4 和 mn2o3。 此外，与 mn2o3 相比，mn1co5ox 的边前锋对应更高的能量，表明 mn1co5ox 中 mn 物种的平均价态应高于 +3，mn 位点附近属于缺电子状态。 为了进一步研究mn1co5ox 催化剂的配位环境，作者对co和mn k边进行了扩展x射线吸收精细结构（exafs）分析。如图2c和2d所示，与 coooh 对照组相比，mn1co5ox 的 co-o 键距从 1.81 å 扩大到 1.83 å。 相反，与co3o4 相比，mn1co5ox 的 co-o 键距从 1.91 å 缩短至 1.83 å。此外，相对于 mn2o3，mn1co5ox 的 mn-o 键距从 1.80 å 缩短至 1.67 å，这可能是由于 mn 的价态高于+3。 总的来说，mn1co5ox 中的co-o键具有与co3o4相似的电子密度，其co-o键长度略大于coooh且小于co3o4。 mn1co5ox 中电子密度较低的mn-o键比mn2o3小，有利于形成金属-o键长近似均匀的固溶体结构，加速了mn和co原子之间的电子转移，促进了催化剂的催化活性。
图2. （a）co 和 (b) mn的k-边xanes谱图。（c）co和（d）mn的k-边exafs谱图的傅里叶变换。
此外，本文结合实验与理论计算研究了mn1co5ox 固溶体的高性能机理，结果证明，co3+, mn4+阳离子以及o空位对促进oer反应至关重要；同时，mn掺杂可抑制阳离子在酸性电解液中的溶出，从而提升催化剂的稳定性。该项工作为过渡金属酸性oer催化剂的设计和开发提供了指导，以“intrinsically robust cubic mncoox solid solution: achieving high activity for sustainable acidic water oxidation”为题发表于国际期刊journal of materials chemistry a。
本文所使用的美国easyxafs公司研发的台式x射线吸收谱仪系统easyxafs300 如图3所示。该装置得益于特殊的单色器设计，无需同步辐射光源，可以在在常规实验室环境中实现x射线吸精细结构谱xafs测试，获得媲美同步辐射光源的优质谱图，用于分析材料的元素价态、化学键、配位结构等全面信息。该台式设备帮助广大科研人员摆脱对同步辐射x射线光源的依赖，极大地提高了xafs表征技术在能源、催化、环境等各领域的大范围应用。该设备已帮助国内外用户取得大量优秀的科研成果，发表于j. am. chem. soc., adv. funct. mater., nat. commun.等期刊。
图3. 美国台式x射线吸收谱仪系统easyxafs300
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图1. （a）mn1co5ox固溶体、co3o4、iro2的酸性oer过电势。（b）mn1co5ox固溶体的酸性oer稳定性测试。
随后，作者使用美国easyxafs公司的台式x射线吸收精细结构谱仪系统easyxafs300对mncoox固溶体催化剂的电子结构和局部配位进行了分析。图2a展示了co-k边的x-射线吸收近边结构 (xanes) 光谱，其中，mn1co5ox 的峰值强度与co3o4 相近，与 co单质不同。同时，mn1co5ox的边前峰与co3o4重合，证明 co2+ 和 co3+ 作为 mn1co5ox 中 co 物种的主要价态共存。如图2b所示，mn-k边的 xanes 光谱显示，mn1co5ox 的白线峰值强度明显高于参比物 mn3o4 和 mn2o3。 此外，与 mn2o3 相比，mn1co5ox 的边前锋对应更高的能量，表明 mn1co5ox 中 mn 物种的平均价态应高于 +3，mn 位点附近属于缺电子状态。 为了进一步研究mn1co5ox 催化剂的配位环境，作者对co和mn k边进行了扩展x射线吸收精细结构（exafs）分析。如图2c和2d所示，与 coooh 对照组相比，mn1co5ox 的 co-o 键距从 1.81 å 扩大到 1.83 å。 相反，与co3o4 相比，mn1co5ox 的 co-o 键距从 1.91 å 缩短至 1.83 å。此外，相对于 mn2o3，mn1co5ox 的 mn-o 键距从 1.80 å 缩短至 1.67 å，这可能是由于 mn 的价态高于+3。 总的来说，mn1co5ox 中的co-o键具有与co3o4相似的电子密度，其co-o键长度略大于coooh且小于co3o4。 mn1co5ox 中电子密度较低的mn-o键比mn2o3小，有利于形成金属-o键长近似均匀的固溶体结构，加速了mn和co原子之间的电子转移，促进了催化剂的催化活性。
图2. （a）co 和 (b) mn的k-边xanes谱图。（c）co和（d）mn的k-边exafs谱图的傅里叶变换。
此外，本文结合实验与理论计算研究了mn1co5ox 固溶体的高性能机理，结果证明，co3+, mn4+阳离子以及o空位对促进oer反应至关重要；同时，mn掺杂可抑制阳离子在酸性电解液中的溶出，从而提升催化剂的稳定性。该项工作为过渡金属酸性oer催化剂的设计和开发提供了指导，以“intrinsically robust cubic mncoox solid solution: achieving high activity for sustainable acidic water oxidation”为题发表于国际期刊journal of materials chemistry a。
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