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FS-TAS飞秒瞬态光谱在电催化材料中的应用

来源：时间：2025-07-10 16:32:00 浏览：685次

FS-TAS在电催化材料中的应用

FS-TAS飞秒瞬态吸收光谱技术在电催化材料领域具有重要应用，能够研究电催化材料的载流子动态行为、识别催化活性中心、解析反应机制并优化材料设计。该技术通过表征电荷分离、复合和迁移等动态过程，揭示光与物质相互作用的本质，从而帮助研究人员深入理解电催化反应机制，并为优化电催化材料性能提供关键手段。

FS-TAS技术在电催化中的应用

动态过程表征：FS-TAS可用于研究电催化材料中的电荷分离、复合和迁移等载流子动态行为。例如，在光催化选择性有机转化过程中，分子氧的活化通常是速率限制步骤。通过使用等离子体0D/2D W18O49/ZnIn2S4 (WOZ)异质结作为模型系统，研究人员利用飞秒瞬态吸收光谱技术揭示了光热效应和连续热电子注入的协同作用，从而实现了超高效的分子氧活化。
催化活性中心鉴别：通过观测瞬态光谱的特征，可以识别催化过程中活性中心的类型及其化学状态变化。单原子催化剂（SACs）是催化材料的重要类别，其制备过程中，单个原子由于高表面自由能而易于迁移和团聚。快速热冲击策略通过瞬时高温脉冲合成SACs，同时最大限度地减少加热时间，从而防止金属聚集和基底降解，保持原子级分散。
反应机制解析：FS-TAS能够帮助研究人员构建复杂的电催化反应的中间体和反应路径，在光电催化水分解和CO₂还原等领域具有广泛应用。脉冲电催化利用周期性切换电势来提供动态路径，调控电催化性质。这种方法通过改变脉冲频率、占空比和波形等参数，显著影响电催化性能。
材料设计优化：FS-TAS可以提供材料的能带结构、表面态和电荷迁移信息，从而指导材料合成优化。通过快速合成方法（RSM）可以制备具有结构灵活性和可调电子性质的亚稳态材料，用于清洁能源转换。RSM具有高能量效率和超快的加热/冷却速率，能够生产具有增强电催化活性的亚稳态电催化剂。

电催化材料的发展方向

高熵材料：高熵材料（HEMs）由至少五种元素组成，由于其可调节的活性和高稳定性，在电催化领域受到广泛关注。纳米级高熵材料具有优异的电催化性能，甚至可以与纯贵金属电催化剂相媲美。
单原子催化剂：单原子催化剂（SACs）由于其最高的原子利用率和可调节的配位环境，成为CO₂RR高效电催化剂。通过轴向配位设计可以进一步调控SACs的性能，优化其电催化应用。
二维材料：二维材料因其独特的结构和电学特性，为快速催化性能提供了机会。通过原位表征技术，如XRD、XPS、TEM-HRTEM、STEM和EELS等，可以实时监测2D材料在电催化过程中的结构和化学变化，深入理解其电催化活性。缺陷在2D材料中起着重要作用，例如空位、取代、反位、边缘和晶界等，通过提供反应的活性位点来增强电催化活性。

Summary and Future Prospects

晶界工程：通过精确控制晶界的密度和特性来优化材料性能。脉冲激光烧蚀、电沉积、气相生长和界面合成等先进制造方法能够生产富含晶界的材料。
金属有机框架材料（MOFs）：金属有机框架材料（MOFs）具有多孔和结晶结构，能够配位金属离子或负载金属纳米颗粒，在电催化中具有潜在应用。二维MOFs由于其增强的电子传输和物质传输能力而备受关注。

电催化反应类型

氧析出反应（OER）：开发用于氧析出反应（OER）的高效电催化剂是提高水电解效率的关键。高熵过渡金属硫化物（np-HETMS）由于其特殊的催化活性，代表了有前景的OER催化剂。IrRuOx/Ta₂O₅ 催化剂在0.3 mg Ir cm⁻²的负载量下，可将OER过电位降低至235 mV@10 mA cm⁻²。

Polarization Curves

氢析出反应（HER）：三原子催化剂（TACs）在氢析出反应（HER）中表现出优异的电催化性能。非晶态相和晶态相共存的NiFeCo三元OER高效电催化剂（NiFeCoP@CAP/NF）可以提高OER效率。
二氧化碳还原反应（CO₂RR）：电化学CO₂还原（ECR）为将能源转化为燃料提供了一条有吸引力的途径。金属有机框架材料（MOFs）已被广泛研究作为ECR的多功能材料。
硝酸盐还原：电催化硝酸盐还原近年来受到广泛关注，可以产生有价值的铵盐，并去除有毒硝酸盐。
混合水电解：生物质衍生的糠醛醇可用作阳极原料，与阴极析氢反应耦合，提高混合水电解效率。