可再生能源的转换和储存对于帮助全球替代化石燃料和实现碳中和至关重要。特别是，电催化水裂解获得H2和CO2还原为高附加值燃料，可以实现氢能时代和闭环碳循环。尽管许多报道的电催化剂在实验室规模上表现出了突出的性能，但这些催化剂优越的电催化活性和选择性的起源和结构演变仍然不明确。原位表征技术已经能够将催化剂的特征与其在实际工作条件下的性能测量相结合。
有鉴于此，中国科学院大连化学物理研究所章福祥研究员等人，综述了最近在理解水裂解和二氧化碳还原的潜在机制方面的进展，强调了这两个电催化反应的先进原位x射线吸收光谱表征。并对x射线技术在这一领域的发展方向和前景进行了展望。
本文要点
1）总结了最先进的XAS表征，特别是原位XAS，以深入了解电催化小分子转化，如水裂解和二氧化碳还原。特别是涉及小分子(HER、OER、CO2RR)的电催化反应是能量转化利用的关键。然而，由于电催化过程中结构变化研究的困难，这些反应的催化起源尚未阐明。原位XAS为深入探讨电催化水裂解和CO2RR机理提供了有力的证据，包括活性成分的识别、跟踪电催化剂的动态结构演化、以及通过对氮/碳固定化过渡金属单原子催化剂、过渡金属氧化物和金属多晶等稳定反应中间体的观察，证实了上述合金催化剂的细微键长差异和结构不均匀性。
2）此外，XAS信号可以通过电催化反应过程中的计算机后处理，用于催化剂的三维化学层析成像。结合 XANES 的计算机断层扫描 (CT) 揭示了聚合物电解质燃料电池的降解现象。主要原因是 Pt 催化剂迁移到 Nafion 膜中，导致短路。
总之，XAS 的进一步发展与其他原位技术（例如，拉曼光谱、核磁共振和穆斯堡尔）相结合，结合理论计算，将促进对水裂解和CO2RR基本过程的更深理解。
参考文献：
Bin Wang et al. Application of X-Ray Absorption Spectroscopy in Electrocatalytic Water Splitting and CO2 Reduction. Small Science, 2021.
DOI: 10.1002/smsc.202100023
https://doi.org/10.1002/smsc.202100023
