【儀表網 研發快訊】電化學二氧化碳還原反應(CO2RR)作為一種將CO2轉化為高附加值化學品和燃料的綠色技術，近年來受到廣泛關注。然而，CO2RR的效率和選擇性受到傳質(mass transfer)的顯著影響。在電極表面，CO2的傳質能力直接決定了反應物的供應效率，進而影響反應性能。因此，深入理解并量化質量傳遞對CO2RR的影響對于優化反應條件和提高反應效率至關重要。
受限于常規表征方法的分辨率，之前的研究工作對CO2RR反應中傳質的影響缺少量化評價數據。在此背景下，光源中心宋飛研究員團隊通過結合工況Operando EXAFS(擴展X射線吸收精細結構)以及HERFD-XAFS(高能分辨率熒光檢測X射線吸收光譜)譜學表征方法，實時監測了模型催化劑在CO2RR過程中，不同傳質環境下催化劑表面的動態變化。研究發現，不同傳質環境會影響模型催化劑酞菁銅(CuPc)在CO2RR反應中Cu-N4的分離和Cu原子的團聚，從而決定了不同的反應性能和選擇性。結合SR-IRAS(同步輻射紅外光譜)和DFT理論計算，從反應動力學角度推演了催化劑的結構演化；該項研究還系統比較了CO2RR反應中所用器件的調控機制，可為后續反應器件的開發提供指導原則。研究成果以"Quantitatively Unveiling the Effect of Mass Transfer on CO2RR through Operando EXAFS and HERFD-XAFS"發表在Science China Chemistry上。
本研究工作通過模型反應體系證明了Operando HERFD-XANES具有優異的能量分辨率，是識別模型催化劑活性位點動態結構變化的有力工具。同時，本工作所建立的operando HERFD-XANES量化分析為電化學CO2RR的機理理解提供了全新的視角，也有助于理解其他相關體系的反應。HERFD-XANES方法是上海光源E-line發展的高分辨譜學技術，能夠在原子和分子水平上揭示催化劑的結構和化學態變化，從而為原位反應中質量傳遞的影響提供定量分析。光源中心/上海應用物理研究所研究生徐子然為本項工作的第一作者，光源中心梅丙寶工程師、宋飛研究員為通訊作者。本研究得到了國家重點研發計劃(2021YFA1600802, 2022YFA1503801)，上海市自然科學基金(22YF1454500, 23ZR1471400)以及國家自然科學基金的資助等。前期研究中，他們利用HERFD-XANES以及高分辨發射譜(XES)，對模型體系CoPc在CO2RR過程中活性位點(Co-N)的局部電子和原子結構變化也進行了系統研究，定量闡明了CoPc的原子和電子結構演變，具體見 Journal of American Chemical Society 2025, 147, 5819-5827.
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