近日，大连理工大学本硕校友、瑞士洛桑联国理工学院博士毕业生、德国柏林马普学会弗里茨-哈伯钻研所博士后柏力晨和地点团队通过先进的原位显微表征技术，实现了对氧化亚铜纳米立方体催化剂在电催化硝酸盐还原反映过程中结构和化学态变动的直接观测，即实现催化剂在反映过程中变动的可视化。 钻研团队初次将空间与功夫分辨的原位透射电子显微镜 (in situ TEM, transmission electron microscope) 和原位透射 X 射线显微镜 (in situ TXM, transmission X-ray microscope) 相结合，成功利用于这一反映的钻研。通过对分歧反映前提下催化剂的结构、描摹及化学环境变动的分析，并结合其他原位光谱技术，钻研团队深刻理解了催化剂动态变动的内涵机造，最终揭示了催化剂化学状态与反映活性及选择性之间的根基关联。这一技术利用为探索催化剂在复杂电催化环境中的动态行为提供了全新视角，也为未来开发越发高效、不变的电催化剂奠定了理论基础。 钻研团队的这一钻研重要聚焦于基础理论层面的索求。钻研当选取的原位表征步骤为其他电催化及有关领域的类似钻研（如电催化二氧化碳还原、幼分子转化等）提供了新的思路和技术参考。从长远来看，这一钻研成就将有助于推动绿色氨合成技术的发展，并为实现环境中氮氧化合物传染物的治理和可持续能源的合理利用提供新的解决规划。 氨是极度沉要的化工原料，宽泛用于化肥、造冷剂、以及精密化学品的出产，也是未来潜在的储氢载体。目前工业上的大规模合成氨重要是通过哈伯-博世（Haber-Bosch）步骤。只管这一步骤具备大规模出产的优势，但其出产过程必要较高的温度（450-550℃）和压力（150bar），且大量亏损化石能源和排放二氧化碳温室气体，带来了显著的环境挑战。另一方面，工业和农业活动中产生的含氮废水（重要是硝酸盐）以及氮氧化合物大气传染物对生态环境和人类健康有着负面的影响。 而我们能够利用来自可持续能源（如太阳能、风能）所转化的电能，通过电化学的步骤将起源于大气和水体传染中的氮氧化物及硝酸盐转化为氨。这不仅可能实现氨的绿色合成，还能有效削减氮氧化合物传染，从而推进可持续的氮循环。 在这一布景下，电化学硝酸盐还原产氨反映近年来受到宽泛关注。其中，铜基资料被以为是最有效的催化剂之一。在高效催化剂的基础上，科学界但愿通过钻研反映机造来成立催化剂的结构-活性关系，从而为催化剂的设计与优化提供理论领导。然而，由于电催化反映中表加电场的作用，以及催化剂与电解质、反映底物和中央吸附物种的复杂相互作用，催化剂的结构、描摹及化学环境会在反映过程中产活泼态变动，而这些变动与催化机能高度有关。 因而，钻研团队的指标是但愿通过先进的尝试伎俩，深刻观测并解析催化剂在电催化反映中的动态变动过程，成立动态的结构-活性关系。 如前所述，电催化硝酸盐还原涉及绿色氨合成与环境传染治理，是一个拥有沉要钻研价值的电化学反映领域。相迸宗近些年聚焦筛选新型催化剂的钻研，钻研团队选择从机理钻研启程，系统性地钻研目前最具优势的催化剂系统——铜基催化剂，进展揭示其反映机造和构效关系，以领导更为高效催化剂的设计。 钻研团队选用氧化亚铜纳米立方体作为模型催化剂，这一选择的优势在于其拥有确定的肇始结构和化学状态，极度适合清澈地相识催化剂在反映过程中的动态变动。 传统的电催化反映机造钻研重要依赖光谱学、电化学尝试数据结合理论推算，而光谱学和电化学的数据通常是整个系统的均匀化阐发，不足空间分辨能力。 钻研团队但愿可能直接观测催化剂的部门变动，实现催化剂动态变动的“可视化”——即同时具备功夫和空间分辨的观测伎俩。因而，钻研团队结合了原位透射电子显微镜和原位 X 射线透射显微镜技术，初次实现了对催化剂在反映过程中的结构和化学态变动的直接观测。 为了发展有效的原位观测，钻研团队设计了专门用于原位表征的电化学反映池，以确保催化反映前提与现实电化学测试的环境一致。在液相透射电子显微镜尝试中，过强的电子束容易与水产生电离作用，天生活性物种并与催化剂产生反映，从而影响尝试了局的靠得住性。针对这一挑战，钻研团队通过以下措施优化尝试规划：节造电子束强杜纂曝光功夫，确保在获取最佳信号的同时将样品危险降至最低；屡次沉复与对照尝试，验证了局的靠得住性与可沉复性。 单一表征伎俩的局限性可能导致单方面甚至谬误的结论。为了全面理解催化剂在反映过程中的动态变动行为，钻研团队还使用了多种原位光谱表征技术，蕴含 X 射线吸收谱（XAS，X-ray absorption spectroscopy）和原位拉曼光谱。这些伎俩能够提供宏观的均匀信号，与显微技术形成互补，使钻研团队可能系统全面地分析催化剂的微观与宏观个性。 与此同时，柏力晨的另一个以原位光谱学表征和电化学分析为主的论文于 2024 年颁发在〖国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 9665； 柏力晨为第一作者）。在那项钻研之中，他成立了铜基催化剂的价态与反映活性的有关性，并揣摩了硝酸盐还原产氨的具体反映机理。钻研团队将其与本工作进行比对，二者了局相互印证，为本次成就提供了越发稳重的支持。 日前，有关论文以《通过有关联的原位显微镜和光谱技术揭示硝酸盐电化学还原过程中的催化剂结构和组成变动》（Revealing catalyst restructuring and composition during nitrate electroreduction through correlated operando microscopy and spectroscopy）为题发在《天然 资料》(Nature Materials)上 [1]。德国柏林马普学会弗里茨-哈伯钻研所钻研员 See Wee Chee 博士和 Beatriz Roldan Cuenya 教授担任共同通讯作者。 钻研团队打算在该钻研基础上持续深刻索求，利用先进的原位光谱与原位显微技术相结合的步骤，对更复杂的催化剂系统（如双金属催化剂系统）进行系统性的反映机造钻研。此表，钻研团队还打算钻研催化剂在更靠近工业出产前提（如大电流密度和升高的反映温度）下的结构与化学状态的动态变动，深刻理解其不变性和活性与结构的关系，以及催化反映机造。有关的钻研将有望为电催化反映的潜在工业化打下坚实的基础。