在科研領(lǐng)域中，材料微觀結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)分析對于推動(dòng)各個(gè)學(xué)科的發(fā)展至關(guān)重要。X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）技術(shù)作為一種強(qiáng)大的材料表征手段，能夠深入揭示材料的元素價(jià)態(tài)、化學(xué)鍵、配位結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵信息。近期，easyXAFS頻繁登上Nature Communications，助力科研人員在單原子、納米材料、環(huán)境、能源及傳感器等領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。easyXAFS無需同步輻射光源，可以在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)X射線吸精細(xì)結(jié)構(gòu)譜XAFS測試，獲得媲美同步輻射光源的優(yōu)質(zhì)譜圖，能為科研工作提供精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)支持。這一特性打破了同步輻射 X 射線光源在時(shí)間、空間上的限制，讓XAFS表征技術(shù)科研場景中發(fā)揮重要作用，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)程。

臺(tái)式X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀-XAFS/XES

一、環(huán)境領(lǐng)域：打破單原子催化劑活性-穩(wěn)定性權(quán)衡問題

單原子催化劑（SACs）在可持續(xù)類芬頓催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，然而在基于過硫酸鹽（PMS）的體系中，始終面臨著活性和穩(wěn)定性的權(quán)衡問題。針對此問題，科研人員設(shè)計(jì)了一種納米島封裝的單鈷原子（CoSA/ZnO?ZnO）催化劑，通過 “島 - ?！?協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng) PMS 活化的活性和穩(wěn)定性，并利用easyXAFS 對新設(shè)計(jì)的納米島封裝單鈷原子（CoSA/ZnO - ZnO）催化劑進(jìn)行了深入研究。通過 Co-K 邊的 XANES 分析，發(fā)現(xiàn)CoSA/ZnOZnO中 Co 原子的吸收邊介于 CoO 和Co₃O₄之間，表明 Co 原子呈現(xiàn) + 2 和 + 3 之間的混合價(jià)態(tài)。FT-EXAFS 分析在 2.28 和 1.38 處識(shí)別出兩個(gè)明顯的峰，分別對應(yīng) Co-Zn 和 Co-O 配位 ，且沒有 Co-Co 峰，證實(shí)了結(jié)構(gòu)中不存在 Co 團(tuán)簇。小波變換（WT）-EXAFS 結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了 Co-Zn 和 Co-O 殼層的存在以及 Co 位點(diǎn)的原子分散狀態(tài)。這些精準(zhǔn)的分析結(jié)果為揭示催化計(jì)的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系提供了關(guān)鍵依據(jù)，有效打破了 SACs 中常見的活性-穩(wěn)定性權(quán)衡問題，實(shí)現(xiàn)了污染物的高效降解。該研究成果不僅為環(huán)境污染物處理提供了新的解決方案，也彰顯了 easyXAFS 在探究催化劑微觀結(jié)構(gòu)方面的強(qiáng)大能力。

參考：《Nano-island-encapsulated cobalt single-atom catalysts for breaking activity-stability tradeoff in Fenton-like reactions》Nature Communications | (2025) 16:115

二、傳感領(lǐng)域：助力新型傳感器研發(fā)

氮氧化物作為主要的空氣污染物之一，對生態(tài)和人類健康造成了嚴(yán)重威脅。目前的檢測技術(shù)在穩(wěn)定性和選擇性方面存在局限，迫切需要新的檢測手段。在《Titanium nitride sensor for selective NO₂ detection》一文中，科研人員借助臺(tái)式easyXAFS對制備的過渡金屬氮化物傳感器進(jìn)行了深入研究。通過元素敏感的X 射線吸收光譜（XAS）測量樣品，對 TiN-600 中氮空位（NVs）的局部配位進(jìn)行原子水平的研究。XANES 光譜顯示，TiN-600 的近邊吸收能量相較于 TiN-CM 發(fā)生負(fù)移，表明由于 NVs 的形成，Ti 的平均氧化態(tài)略有降低，這與 Ti 2p XPS 的觀測結(jié)果一致。通過 EXAFS 分析研究 NVs 的局部配位情況，發(fā)現(xiàn) TiN-600 中 Ti-N 鍵強(qiáng)度比 TiN-CM 弱，表明 Ti-N 配位數(shù)減少，NVs 增加，為 NVs 的形成提供了有力證據(jù)。基于研究結(jié)果，科研人員成功制備出對NO2具有超卓選擇性的傳感器，其靈敏度比強(qiáng)的干擾氣體 NO 高 30 倍，且 6 個(gè)月內(nèi)保持穩(wěn)定，不使用鉑或其他貴金屬，為環(huán)境監(jiān)測技術(shù)帶來了新的突破。這一成果充分體現(xiàn)了 easyXAFS 在能源相關(guān)的傳感器研發(fā)領(lǐng)域的重要價(jià)值，為新型傳感器的性能優(yōu)化提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。

參考：《Titanium nitride sensor for selective NO₂ detection》Nature Communications | (2025) 16:182

三、材料科學(xué)領(lǐng)域：推動(dòng) MXenes 材料合成研究

MXenes 材料在電子、光學(xué)和機(jī)械性能方面表現(xiàn)出色，但直接合成少層單相 MXenes 面臨挑戰(zhàn)。本研究提出一種一步氣相合成方法，成功制備了少層單相Ti₂NCl₂和Ti₂CCl₂，并運(yùn)用 easyXAFS 對新合成的材料進(jìn)行深入分析。通過對合成的Ti₂NCl₂進(jìn)行 EXAFS 光譜擬合，識(shí)別出 Ti-N、Ti-Cl 和 Ti-Ti 散射路徑，其配位數(shù)分別為 3、3 和 6，與晶體學(xué)模型一致，表明合成的Ti₂NCl₂鈦空位濃度很低。結(jié)合 EPR 光譜分析，進(jìn)一步證明了新和成的Ti₂NCl₂和Ti₂CCl₂中的鈦空位的比例相較于傳統(tǒng)蝕刻法得到的材料更低。這些研究成果為揭示一步氣相合成法制備少層單相 MXenes 的反應(yīng)路徑、合成機(jī)制和降解行為提供了關(guān)鍵依據(jù)，推動(dòng)了 MXenes 材料在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。這再次驗(yàn)證了 easyXAFS 在材料科學(xué)研究中，對于深入分析材料微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的重要作用，助力科研人員突破材料合成的技術(shù)瓶頸。

參考：《One-step gas-phase syntheses of few-layered single-phase Ti₂NCl₂ and Ti₂CCl₂ MXenes with high stabilities》Nature Communications| (2024) 15:10334

四、電化學(xué)領(lǐng)域：為氨電合成開辟新路徑

隨著對能源效率、環(huán)境可持續(xù)性和農(nóng)業(yè)需求的關(guān)注度不斷提高，分散式和可擴(kuò)展的氨生產(chǎn)成為研究熱點(diǎn)。將廢水中的硝酸根離子電化學(xué)轉(zhuǎn)化為氨是一種可行的方法，但受到產(chǎn)率和可擴(kuò)展性的限制。該研究報(bào)道了一種通用且可擴(kuò)展的溶液相合成方法，制備了高熵單原子納米籠（HESA NCs），并借助 easyXAFS 對高熵單原子納米籠（HESA NCs）展開研究。通過 XANES 光譜研究 MESA 納米立方體（蝕刻前）和 HESA 納米籠（蝕刻后）中 Fe 的 K 邊，以 Fe 箔、FeO 和Fe₂O₃為參考，發(fā)現(xiàn)蝕刻前后曲線趨勢相似，表明蝕刻過程幾乎沒有改變凝膠樣品中 Fe 部分的配位環(huán)境，但蝕刻后 Fe 的吸收邊位置明顯向低能量水平移動(dòng)，意味著蝕刻導(dǎo)致 Fe 的氧化態(tài)降低，這與 Fe-L-EELS 結(jié)果相符。對 Fe、Co、Cu、Zn、Cd 和 In 的 K 邊k2加權(quán)傅里葉變換（FT）擴(kuò)展 X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）光譜分析表明，這些元素成功引入并原子分散在 PBA 框架中。該研究發(fā)現(xiàn)，制備的Fe - HESA NCs 對硝酸根的電催化還原生成氨表現(xiàn)出高選擇性，法拉第效率達(dá) 93.4%，產(chǎn)率高達(dá)81.4mgh^?1mg^?1 ，為可持續(xù)的電催化反應(yīng)提供了新的思路。這一成果展示了 easyXAFS 在電化學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值，幫助科研人員深入理解材料在電化學(xué)反應(yīng)中的微觀機(jī)制，為氨電合成技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。

參考：《General synthesis of high-entropy single-atom nanocages for electrosynthesis of ammonia from nitrate》Nature Communications | (2024) 15:6932

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