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配位数越低,就说明单原子越分散吗?

配位数越低,就说明单原子越分散吗?

说明:本文主要介绍单原子催化剂中配位数、M-M 散射路径、HAADF-STEM 空间分布和工作态配位变化之间的关系,以及低配位数、团簇、颗粒和多位点平均信号的区分方式。

单原子体系中配位数数哪些近邻原子?

EXAFS 里的配位数 N 指吸收原子在一条散射路径上的平均近邻数量。在单原子催化剂中,常见第一壳层写成M-NM-OM-S;金属箔、团簇或颗粒里,第二壳层常出现M-M 路径。N 的数值还受振幅、无序度、配位原子种类和参考模型牵动。

低 N 描述近邻数量下降,原子分散描述金属原子在载体上的空间排布。两者关联紧密,却属于两个计量对象:N 是壳层平均值分散状态是空间状态。低 N 可对应孤立位点,也可对应颗粒表面低配位原子。

图1. Co-N-C 样品的 SEM、TEM、HAADF-STEM、元素映射和 Co K 边谱学结果。DOI:10.1002/smll.202411574

HAADF-STEM 中的孤立亮点和元素映射记录局部视野;XAS 记录所有吸收原子周围的统计壳层。一篇文章列出显微图、元素图和 EXAFS 拟合表时,三个栏目分别对应空间分布、元素均匀性和近邻壳层。

所以,配位数越低这个说法只完成了一半信息。接着要追问的是被数的近邻原子是谁:氮、氧、硫、碳,还是另一个金属原子。配位对象改变后,低 N 指向的材料状态会发生转移,位点归属也随之改变。

低配位数来自哪些局域结构?

平均 N 与位点混合

低配位数可来自孤立的 M-Nx 位点,也可来自纳米颗粒表面原子、缺陷边缘、孔道限域或多种位点混合。EXAFS 拟合得到的是全样品平均 N,少量团簇被大量 M-N 位点稀释后,M-M 壳层振幅会减弱。团簇比例越低,平均壳层越容易变浅。

金属负载量升高时,M-N 壳层、M-M 壳层和白线强度会一起变化。单个低第一壳层 N数值,会覆盖表面颗粒、低配位边缘和孤立位点。此时样品制备、负载量和参考相都会改变拟合含义。

图2. Cu0.7/NTC、Cu1.5/NTC 和 Cu3.2/NTC 的 XPS、Cu K 边 XANES、FT-EXAFS 与 WT-EXAFS 对比。DOI:10.1007/s40820-023-01091-9

负载量系列样品的 FT-EXAFS 与 WT-EXAFS能区分轻元素配位金属-金属散射。低配位数的含义由路径归属决定,M-N 低代表第一壳层配位减少,M-M 弱代表金属近邻数量较少。

在多位点材料中,平均 N 会把孤立位点、双原子位点和小团簇合成一个数。若拟合表仅列一个总 N,文章还应列出路径分量、参考样品和金属含量,否则低配位数只能作为局域结构线索。结构命名仍以具体壳层为准。

M-M路径怎样区分不同聚集态?

M-M 路径来自金属原子之间的散射。孤立单原子样品中,M-M 壳层弱或缺失,M-N、M-O 等配位占主导;团簇样品中,M-M 信号开始出现;颗粒样品中,M-M 壳层增强并接近金属箔。金属箔常作为高配位参照。

WT-EXAFS 对 k 空间分布更敏感,重元素 M-M 散射常位于较高 k 区域,轻元素配位位于较低 k 区域。低 R 峰高 k 强度拟合 N参考样品并列限定 M-M 壳层的归属。不同散射体在 k 空间留下不同强度分布。

图3. Pt-ZIF-67 热解过程中 Pt-Pt 配位的原位 Pt L3 边 WT-EXAFS 序列。DOI:10.1002/anie.202213412

热解、还原或电化学偏压下,金属原子从隔离位点转向邻近位点时,M-M 配位会抬升。低配位数仍可存在,但材料状态已从孤立原子转向小团簇或近邻双原子状态,谱峰形貌随温度或电位变化。动态过程会改变金属近邻数量。

颗粒表面原子也有低配位环境,但它们保留大量金属近邻。因而低配位数与高分散之间少一层必然绑定,M-M 路径才是团簇和颗粒的重要分隔信号。

原子尺度表征记录哪些空间信息?

HAADF-STEM 记录有限视野内的高 Z 原子亮点,EDX 映射记录元素在微米或纳米尺度上的分布,EXAFS 记录吸收原子周围壳层平均值。显微空间元素分布局域配位具有不同采样范围。三类信号对应不同实验窗口。

单原子分散要求显微视野内无可分辨颗粒或团聚,元素映射均匀,且 XAS 中 M-M 壳层弱。任一信号缺口都会让分散状态归属变窄,尤其在低含量、非均匀载体和多金属样品中。空间视野壳层平均属于两类信号。前者给局部区域,后者给吸收原子集合。

图4. Cu0.7/NTC、Cu1.5/NTC 和 Cu3.2/NTC 的 AC HAADF-STEM、强度线形和 EDX 映射。DOI:10.1007/s40820-023-01091-9

强度线形能辅助识别孤立亮点,EDX 映射能排查局部富集,EXAFS 能给出M-N 与 M-M 的平均比例。三类信息对同一材料的描述互补,低配位数只占其中一个坐标。

对于重金属单原子,HAADF-STEM 的亮点具有高对比;对于轻元素载体、低负载量样品或厚区样品,视野选择会影响颗粒检出率。多视野统计元素映射能减少局部视野偏差。空间均匀性仍需多个区域支撑。

反应下配位数和分散状态怎样变化?

工作态中,吸附物、氧化态、载体缺陷和电位会改变第一壳层配位。M-N 键可断裂,M-O 或 M-adsorbate 配位可增强,邻近金属原子可形成 M-M 壳层。配位数变化记录局域壳层,分散状态变化记录金属原子空间重排。两类变化在同一原位谱中并行变化。

图5. Cu-N 与 Cu-Cu 配位数随电位变化的拟合曲线和 Cu 物种重整路线。DOI:10.1007/s40820-023-01091-9

电位驱动的 Cu-N 与 Cu-Cu 配位数变化能把局域重整写成一条时间序列。M-N 下降并伴随 M-M 抬升时,材料状态从孤立位点转向团簇化或金属化片段;M-N 改变而 M-M 仍弱时,更接近配体交换或氧化态变化。两条路径的相对强度决定结构归属。

图6. FeMo-N-C 的 Mo/Fe K 边 XANES、FT-EXAFS、WT-EXAFS、R 空间拟合和结构参数。DOI:10.1007/s40820-023-01214-2

多金属单原子或异核双原子体系还会引入 M1-M2 路径。Fe-Mo、Co-Fe、Pt-Au 等结构中,低配位数仍可伴随金属原子彼此邻近,还涉及异核金属近邻、配体桥联和载体锚定位。

低配位数与高分散之间没有一一绑定。读取顺序可写成:配位对象M-M 路径显微空间分布工作态漂移。低 N 是局域结构信号,单原子分散是材料状态,两者相交,却不重合于同一指标。

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