圖.多模態納米紅外成像和原位同步輻射技術揭示催化反應機理

精準識別催化材料表面納米尺度的活性位點結構及反應過程中產生的中間吸附物種，對于理解催化反應與材料結構之間的本質關聯性至關重要。然而，傳統光譜技術僅能獲取催化材料表面的系綜平均信息，無法實現對真實活性位點在納米尺度的高空間分辨鑒別。因此，基于突破光學衍射極限的原子力顯微鏡-紅外光譜聯用技術，在高空間分辨率下對材料形貌和表面吸附物種進行微區分析，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，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室、精準智能化學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紅外成像和原位同步輻射X射線吸收譜技術，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協同催化活性與其空間位置的固有相關性。相關研究成果以“Visualization of the Distance-Dependent Synergistic Interaction inHeterogeneous Dual-Site Catalysis”為題，發表在國際學術期刊《美國化學會志》(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雙位點協同催化甲酸氧化反應進行了深入研究。AFM-IR聯用AFM和IR光譜技術，同時獲得樣品局域結構和化學指紋信息，空間分辨率優于10 nm。結合共振增強技術，進一步提高檢測靈敏度，從而實現單分子層樣品的高靈敏度探測。研究團隊發現Ir-Co催化劑中C-O信號和O-H信號在空間上高度重疊，為協同催化的實現提供直觀可視化證據。此外，紅外光譜中 C-O 信號的峰位偏移為反應物種間的協同作用提供了有力的譜學證據。高空間分辨成像結果揭示了反應物種在催化劑表面裂縫處的集中分布，裂縫區域表現出顯著的活性。這些區域的獨特結構，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的催化反應活性，為化學反應路徑和催化活性的調控提供了重要的科學指導。

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博士。相關研究得到了國家杰出青年基金、科技部重點研發計劃等項目的資助，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