精準追蹤催化反應過程中活性中心結(jié)構(gòu)隨時間的動態(tài)演化,對于解析催化劑活性增強機制至關(guān)重要。然而,常規(guī)原位X射線譜學技術(shù)通常在分鐘到秒量級時間尺度內(nèi)探測催化劑的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)變化,難以有效捕捉具有高度動態(tài)和快速演化特性的非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)信息,嚴重制約了對催化機理的深入理解。為此,亟需發(fā)展具備高時間分辨能力的原位X射線譜學技術(shù),以實現(xiàn)對非平衡態(tài)過程的實時、高精度追蹤。此外,隨著時間分辨率的提升,實驗所產(chǎn)生的海量且復雜的譜學數(shù)據(jù)使得傳統(tǒng)依賴人工解讀的方式變得愈發(fā)困難。因此,開發(fā)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的先進機器學習算法,實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理、精準挖掘與深度分析,顯得尤為迫切。
近日,中國科學技術(shù)大學國家同步輻射實驗室、核科學技術(shù)學院姚濤教授團隊,在捕捉電催化劑非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)的時間分辨同步輻射X射線譜學研究中取得了新進展。團隊采用能量色散X射線吸收譜(ED-XAFS)技術(shù),實現(xiàn)了毫秒級(60 ms)時間分辨全譜“單次采集”,極大地提升了數(shù)據(jù)采集的效率與精度。結(jié)合無監(jiān)督機器學習算法,從數(shù)萬張譜圖中快速識別并篩選出催化劑重構(gòu)過程中涉及的關(guān)鍵主成分相。通過對這些主成分隨時間的動態(tài)變化進行定量解析,精確捕捉到非平衡態(tài)中間體的特征結(jié)構(gòu)信息及其動態(tài)形成規(guī)律(圖1)。相關(guān)研究成果以“Time-resolved spectroscopy uncovers deprotonation-induced reconstruction in oxygen-evolution NiFe-based (oxy)hydroxides”為題,發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然?通訊》(DOI: 10.1038/s41467-025-56070-y)。

圖1.毫秒時間分辨ED-XAFS結(jié)合機器學習捕捉催化劑非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)。
團隊與上海光源動力學線站(BL 05U)合作,利用色散彎晶與位敏探測器,成功實現(xiàn)了無機械運動干擾的高精度、高穩(wěn)定性毫秒級時間分辨全譜采集。針對該技術(shù)特點,研究團隊自主研制了適用于電催化體系的原位裝置,深入研究了鎳鐵氫氧化物(NiFe LDH)在電催化析氧反應(OER)中的復雜動力學過程。結(jié)合機器學習算法的深度解析,首次在毫秒時間尺度捕捉到NiFe LDH在脫質(zhì)子過程中關(guān)鍵中間體的特征結(jié)構(gòu)信息。結(jié)果表明,F(xiàn)e的引入顯著加速了NiFe LDH的脫質(zhì)子過程,尤其是優(yōu)先移除共邊[NiO6]和[FeO6]八面體之間橋接羥基(Ni2+-OH-Fe3+)上的質(zhì)子。這一行為觸發(fā)了高價Ni3+δ活性物種的生成,從而顯著提升了OER活性。此研究不僅展示了ED-XAFS技術(shù)在捕捉非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)研究中的巨大潛力,也凸顯了數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在復雜體系解析中的重要作用。
論文的通訊作者是姚濤教授、姜政教授和曹林林特任副研究員,博士研究生吳丹為第一作者。該研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃等項目的資助,并獲得了合肥、上海及北京光源的機時支持。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-56070-y