克日，，，，，大连理工大学本硕校友、瑞士洛桑联邦理工学院博士结业生、德国柏林马普学会弗里茨-哈伯研究所博士后柏力晨和所在团队通过先进的原位显微表征手艺，，，，，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应历程中结构和化学态转变的直接视察，，，，，即实现催化剂在反应历程中转变的可视化。。。 研究团队首次将空间与时间区分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) 相连系，，，，，乐成应用于这一反应的研究。。。通过对差别反应条件下催化剂的结构、形貌及化学情形转变的剖析，，，，，并连系其他原位光谱手艺，，，，，研究团队深入明确了催化剂动态转变的内在机制，，，，，最终展现了催化剂化学状态与反应活性及选择性之间的基本关联。。。这一手艺应用为探讨催化剂在重大电催化情形中的动态行为提供了全新视角，，，，，也为未来开发越发高效、稳固的电催化剂涤讪了理论基础。。。 研究团队的这一研究主要聚焦于基础理论层面的探索。。。研究中接纳的原位表征要领为其他电催化及相关领域的类似研究（如电催化二氧化碳还原、小分子转化等）提供了新的思绪和手艺参考。。。从久远来看，，，，，这一研究效果将有助于推动绿色氨合成手艺的生长，，，，，并为实现情形中氮氧化合物污染物的治理和可一连能源的合理使用提供新的解决计划。。。 氨是很是主要的化工质料，，，，，普遍用于化肥、制冷剂、以及细腻化学品的生产，，，，，也是未来潜在的储氢载体。。。现在工业上的大规模合成氨主要是通过哈伯-博世（Haber-Bosch）要领。。。只管这一要领具备大规模生产的优势，，，，，但其生产历程需要较高的温度（450-550℃）和压力（150bar），，，，，且大宗消耗化石能源和排放二氧化碳温室气体，，，，，带来了显著的情形挑战。。。另一方面，，，，，工业和农业活动中爆发的含氮废水（主要是硝酸盐）以及氮氧化合物大气污染物对生态情形和人类康健有着负面的影响。。。 而我们可以使用来自可一连能源（如太阳能、风能）所转化的电能，，，，，通过电化学的要领未泉源于大气和水体污染中的氮氧化物及硝酸盐转化为氨。。。这不但能够实现氨的绿色合成，，，，，还能有用镌汰氮氧化合物污染，，，，，从而增进可一连的氮循环。。。 在这一配景下，，，，，电化学硝酸盐还原产氨反应近年来受到普遍关注。。。其中，，，，，铜基质料被以为是最有用的催化剂之一。。。在高效催化剂的基础上，，，，，科学界希望通过研究反应机制来建设催化剂的结构-活性关系，，，，，从而为催化剂的设计与优化提供理论指导。。。然而，，，，，由于电催化反应中外加电场的作用，，，，，以及催化剂与电解质、反应底物和中心吸附物种的重大相互作用，，，，，催化剂的结构、形貌及化学情形会在反应历程中爆发动态转变，，，，，而这些转变与催化性能高度相关。。。 因此，，，，，研究团队的目的是希望通过先进的实验手段，，，，，深入视察并剖析催化剂在电催化反应中的动态转变历程，，，，，建设动态的结构-活性关系。。。 如前所述，，，，，电催化硝酸盐还原涉及绿色氨合成与情形污染治理，，，，，是一个具有主要研究价值的电化学反应领域。。。相比于近些年聚焦筛选新型催化剂的研究，，，，，研究团队选择从机理研究出发，，，，，系统性地研究现在最具优势的催化剂系统——铜基催化剂，，，，，期望展现其反应机制和构效关系，，，，，以指导更为高效催化剂的设计。。。 研究团队选用氧化亚铜纳米立方体作为模子催化剂，，，，，这一选择的优势在于其具有确定的起始结构和化学状态，，，，，很是适合清晰地相识催化剂在反应历程中的动态转变。。。 古板的电催化反应机制研究主要依赖光谱学、电化学实验数据连系理论盘算，，，，，而光谱学和电化学的数据通常是整个系统的平均化体现，，，，，缺乏空间区分能力。。。 研究团队希望能够直接视察催化剂的局部转变，，，，，实现催化剂动态转变的“可视化”——即同时具备时间和空间区分的视察手段。。。因此，，，，，研究团队连系了原位透射电子显微镜和原位 X 射线透射显微镜手艺，，，，，首次实现了对催化剂在反应历程中的结构和化学态转变的直接视察。。。 为了开展有用的原位视察，，，，，研究团队设计了专门用于原位表征的电化学反应池，，，，，以确保催化反应条件与现实电化学测试的情形一致。。。在液相透射电子显微镜实验中，，，，，过强的电子束容易与水爆发电离作用，，，，，天生涯性物种并与催化剂爆发反应，，，，，从而影响实验效果的可靠性。。。针对这一挑战，，，，，研究团队通过以下步伐优化实验计划：控制电子束强度与曝光时间，，，，，确保在获取最佳信号的同时将样品损伤降至最低；；；；；；多次重复与比照实验，，，，，验证效果的可靠性与可重复性。。。 简单表征手段的局限性可能导致片面甚至过失的结论。。。为了周全明确催化剂在反应历程中的动态转变行为，，，，，研究团队还使用了多种原位光谱表征手艺，，，，，包括 X 射线吸收谱（XAS，，，，，X-ray absorption spectroscopy）和原位拉曼光谱。。。这些手段可以提供宏观的平均信号，，，，，与显微手艺形成互补，，，，，使研究团队能够系统周全地剖析催化剂的微观与宏观特征。。。 与此同时，，，，，柏力晨的另一个以原位光谱学表征和电化学剖析为主的论文于 2024 年揭晓在《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 9665；；；；；； 柏力晨为第一作者）。。。在那项研究之中，，，，，他建设了铜基催化剂的价态与反应活性的相关性，，，，，并推测了硝酸盐还原产氨的详细反应机理。。。研究团队将其与本事情举行比对，，，，，二者效果相互印证，，，，，为本次效果提供了越发稳健的支持。。。 日前，，，，，相关论文以《通过相关联的原位显微镜和光谱手艺展现硝酸盐电化学还原历程中的催化剂结构和组成转变》（Revealing catalyst restructuring and composition during nitrate electroreduction through correlated operando microscopy and spectroscopy）为题发在《自然 质料》(Nature Materials)上 [1]。。。德国柏林马普学会弗里茨-哈伯研究所研究员 See Wee Chee 博士和 Beatriz Roldan Cuenya 教授担当配合通讯作者。。。 研究团队妄想在该研究基础上继续深入探索，，，，，使用先进的原位光谱与原位显微手艺相连系的要领，，，，，对更重大的催化剂系统（如双金属催化剂系统）举行系统性的反应机制研究。。。别的，，，，，研究团队还妄想研究催化剂在更靠近工业生产条件（如大电流密度和升高的反应温度）下的结构与化学状态的动态转变，，，，，深入明确其稳固性和活性与结构的关系，，，，，以及催化反应机制。。。相关的研究将有望为电催化反应的潜在工业化打下坚实的基础。。。