原位电转换研究


在无碳的未来，储能系统在补偿可再生能源的可变性方面变得越来越重要。电解水制氢代表着潜在的季节性分散式储能的基石。虽然电解，水的电化学分解已经问世好几个世纪了，但其潜在的基本反应仍未被完全理解。特别是对于析氧反应（OER），水电解槽的阳极反应，确切的反应机理和理想的催化剂仍有待研究。在活性和稳定性方面寻求改进的催化剂是很重要的，因为 OER 目前是电解的瓶颈。受光合作用的启发，科学家们研究了锰基催化剂以促进 OER 过程。

尽管锰氧化物是提高 OER 很有前景的候选者，但结果表明它们的催化活性和稳定性在很大程度上取决于制备过程。大多数研究的合成过程在数小时内会造成低活性或劣化。相比之下，使用金属间化合物前体，即 MnGa4，它是一种具有卓越性能的耐用催化剂 。MnGa4前驱体进行原位电转换，详细研究这种化学和结构转变对于提高 OER 至关重要。两种成分的氧化态可以通过联用X射线光电子能谱 (XPS) 和 X射线吸收近边结构光谱（XANES）进行监测。这种联用功能十分强大，因为XPS探测表面，而 XANES是体敏感的。


基于实验室的新型 XANES


德国HPS公司的hiXAS是一种基于实验室的 XAS 解决方案，可用于高分辨率 XANES 和宽带宽 EXAFS 测量，标准配置能量范围 5-12keV。hiXAS使用了基于高效率HAPG晶体的von Hamos光谱仪结构。受益于其非扫描式、多道址同时测量的高效光路，该设备可用于原位测量与过程研究。这个新工具已经使好几个研究领域的应用受益。

图 1 hiXAS 用于宽带光谱的高效率收集的结构


在本研究中，hiXAS 分别用于记录制备过程中和 OER 循环后 Mn 和 Ga 的 XANES 光谱。图 2 显示了该过程中氧化态的变化。与参考光谱的比较表明，循环后在整个体积内的Mn介于Mn3+和 Mn4+之间，而 Mn4+在表面（表面结果来自 XPS）。Ga从表面消失（XPS 不再检测到）,并且内部Ga从金属变为 Ga3+。


图2 左图在合成、沉积和OER过程后，Mn的XANES谱图；右图：Ga相关光谱。箭头表示了由于氧化引起的吸收边移动。


用XANES作为一种无损和快速的测量方法，让在原位条件下跟踪催化剂的演变成为现实。通过这种方法，hiXAS为研究人员提供了对催化剂氧化状态的持续和有价值的信息。


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参考文献

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