同步辐射技术由于其高亮度、高通量、优良的定向性、偏振性和高稳定性等优势，在非均相催化领域被公认为全面的表征平台。近年来，我校材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在人工光合成反应结合同步辐射分析技术应用方面取得系列研究进展，应国际知名学术期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》主编Frank Maaß博士邀请，撰写了题为“In situ/Operando Synchrotron Analytical Techniques for CO2/CO Reduction Reaction: From Atomic Scales to Mesoscales”的综述论文，介绍了原位/工况同步辐射分析技术在CO2/CO还原反应中跨尺度应用。
利用可再生电力将二氧化碳/一氧化碳（CO(2)）转化为增值燃料展现出了巨大的吸引力。尽管在这方面已取得了显著的研究进展，但CO(2)电解体系在综合效率和稳定性方面仍面临重大挑战。在CO(2)RR过程中，电催化剂的化学组成、局域配位环境、晶体结构等通常会受到微环境和施加电位的影响，经历不可避免的动态结构变化；气体扩散电极（GDE）也面临由于电极击穿和盐析造成的稳定性挑战；膜电极（MEA）器件内的电子、离子传输也直接影响电极界面的微环境及相应的性能。鉴于CO(2)RR的性能和稳定性高度依赖于催化剂材料和反应器件，深入研究原位/工况条件下电催化剂材料的原子组态以及MEA器件内的动态演变规律，对深入理解CO(2)电解过程尤为重要。
图1 原位/工况同步辐射分析技术应用于CO2/CO还原反应示意图。
面向同步辐射在CO(2)电解中的跨尺度表征应用，我校杨化桂教授团队联合中国科学技术大学国家同步辐射实验室姜政教授团队发表相关综述。基于不同波长同步辐射光源的特点，从红外到硬X射线，展示了其在多尺度分辨率和多模式敏感性方面的独特优势。通过比较相应表征技术的优势、局限性和互补性，为读者提供了清晰的指导和借鉴，帮助选择适合的原位/工况同步辐射表征技术，以便解析涉及复杂气-液-固界面的催化剂和反应器件。
通过回顾多年来CO(2)RR领域的研究，本综述创新性地总结并介绍了同步辐射在CO(2)RR中从原子尺度到介观尺度的跨尺度应用，涵盖从电子结构、原子排布、分子构型、晶体结构到器件应用等不同角度的动态演化过程，提供了关于CO(2)RR复杂动态过程的全面分析。考虑到CO(2)RR电解的性能和稳定性高度依赖于电解装置，本综述不仅讨论了针对催化剂结构的表征，还阐明了同步辐射技术在揭示电解槽内部动态变化以及加速工业装置发展方面的应用潜力。
图2a) 同步辐射产生的X射线实验方法分类。b) 同步辐射表征技术在CO(2)RR中从原子尺度到介观尺度的跨尺度应用，涵盖从电子结构、原子排布、分子构型、晶体结构到器件应用等不同角度的动态演化过程。
最后，在总结和展望部分，本综述进一步讨论了同步辐射表征在CO(2)电解应用中面临的挑战，就如何利用第四代先进光源来解码从材料到器件的动态演变过程做出了展望：包括提升同步辐射表征技术在表面分析方面的灵敏度；改善光谱能量分辨率和时空分辨率；设计适用于原位表征的器件并发展针对器件尺度的表征技术；开发多种表征技术同步联合应用平台。得益于第四代同步辐射装置的蓬勃发展，先进的光源将极大地丰富同步加速器的应用，为CO(2)RR及其他重要的催化反应开辟了新的视野。
该综述主要由我校材料科学与工程学院博士生徐艺凝在刘鹏飞副教授、杨化桂教授及中国科学技术大学国家同步辐射实验室姜政教授等人的指导下完成，研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市基础研究特区等项目的支持。
文献链接：https://doi.org/10.1002/ange.202217296