电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）作为一种将CO₂转化为高附加值化学品和燃料的绿色技术，近年来受到广泛关注。然而，CO₂RR的效率和选择性受到传质（mass transfer）的显著影响。在电极表面，CO₂的传质能力直接决定了反应物的供应效率，进而影响反应性能。因此，深入理解并量化质量传递对CO₂RR的影响对于优化反应条件和提高反应效率至关重要。

受限于常规表征方法的分辨率，之前的研究工作对CO₂RR反应中传质的影响缺少量化评价数据。在此背景下，光源中心宋飞研究员团队通过结合工况Operando EXAFS（扩展X射线吸收精细结构）以及HERFD-XAFS（高能分辨率荧光检测X射线吸收光谱）谱学表征方法，实时监测了模型催化剂在CO₂RR过程中，不同传质环境下催化剂表面的动态变化。研究发现，不同传质环境会影响模型催化剂酞菁铜(CuPc)在CO₂RR反应中Cu-N₄的分离和Cu原子的团聚，从而决定了不同的反应性能和选择性。结合SR-IRAS（同步辐射红外光谱）和DFT理论计算，从反应动力学角度推演了催化剂的结构演化；该项研究还系统比较了CO₂RR反应中所用器件的调控机制，可为后续反应器件的开发提供指导原则。研究成果以"Quantitatively Unveiling the Effect of Mass Transfer on CO₂RR through Operando EXAFS and HERFD-XAFS"发表在Science China Chemistry上。

本研究工作通过模型反应体系证明了Operando HERFD-XANES具有优异的能量分辨率，是识别模型催化剂活性位点动态结构变化的有力工具。同时，本工作所建立的operando HERFD-XANES量化分析为电化学CO₂RR的机理理解提供了全新的视角，也有助于理解其他相关体系的反应。HERFD-XANES方法是上海光源E-line发展的高分辨谱学技术，能够在原子和分子水平上揭示催化剂的结构和化学态变化，从而为原位反应中质量传递的影响提供定量分析。光源中心/上海应用物理研究所研究生徐子然为本项工作的第一作者，光源中心梅丙宝工程师、宋飞研究员为通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划(2021YFA1600802, 2022YFA1503801)，上海市自然科学基金(22YF1454500, 23ZR1471400)以及国家自然科学基金的资助等。前期研究中，他们利用HERFD-XANES以及高分辨发射谱(XES)，对模型体系CoPc在CO₂RR过程中活性位点(Co-N)的局部电子和原子结构变化也进行了系统研究，定量阐明了CoPc的原子和电子结构演变，具体见 Journal of American Chemical Society 2025, 147, 5819-5827.

研究文章链接：https://doi.org/10.1007/s11426-024-2579-1