固体/液体电化学界面上的界面羟基（OH）是促进协同反应的主要反应中间体。了解界面OH和关键反应物之间的相互作用，以及准确跟踪其动态演变，对于揭示各种电催化反应的反应动力学至关重要。然而，受限于光学衍射极限，传统的光谱技术仅能得到催化材料表面一定范围内（几微米至几十微米）的平均信息，无法对活性位点进行纳米尺度的高分辨率测量。该研究依托合肥国家同步辐射实验室自由电子激光原子力显微-红外光谱（AFM-IRFEL）实验站，通过多模态红外成像和原位同步辐射X射线吸收谱技术，首次从实验上直接观察到活性基团在催化剂表面的空间分布，并进一步建立了不同间距下Ir-Co协同催化活性与其空间位置的固有相关性。相关研究成果以“Visualization of the Distance-Dependent Synergistic Interaction inHeterogeneous Dual-Site Catalysis”为题，发表在国际学术期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.Doi: 10.1021/jacs.4c10613）。
科研人员开发了一种不同间距的Ir-Co双位点催化系统，用以研究甲酸（HCOOH）的氧化反应。其中，Ir作为HCOOH的催化位点，而Co作为能够吸附OH的亲氧位点。
1.发现了一种协同机制 – 吸附在Co上的OH自由基能够促进HCOOH的脱氢。
2.协同作用取决于反应物之间的距离，Ir-Co间距7.9Å处观察到最佳性能。
3.OH自由基的时间演化研究揭示了它们的产生和消耗之间的动态平衡，从而在该反应中实现了高效的协同作用。
4.当Co被其他亲氧元素如Ru替代时，这种协同机制也适用。
利用AFM-IR从空间角度分析了催化机理。AFM-IR结果为Co作为吸附OH的协同催化活性位点促进甲酸脱质子化这一机制提供了明确证据。
图1 金属位点键合反应物的空间分布。（a） AFM-IR观察响应分子分布的示意图。（b）Ir-Co-7.9Å和Ir-NC的AFM-IR红外光谱。（c，d）Ir-Co-7.9Å 在1438 cm-1，1630cm-1处的红外成像图和3D分布图。（e，f）Ir-NC在1438 cm-1，1630cm-1处的红外成像图和3D分布图。
经过C-V循环活化后，分别在Ir-Co和Ir-NC催化剂表面测量AFM-IR光谱。Ir-Co表面检测到来自HCOOH的C-O和来自OH自由基的O-H，而Ir-NC表面只观察到来自HCOOH的C-O振动，这表明吸附在催化剂表面的HCOOH和OH分别与Ir和Co位点化学键合。此外，观察到Ir-Co催化剂表面的光谱中，C-O信号与Ir-NC相比发生了偏移，这一偏移为OH和HCOOH之间存在键合相互作用提供了强有力的证据。
红外吸收图像则显示了HCOOH和OH基团分布在空间上的重叠，这是有效协同催化的重要标准。而3D红外图像显示，反应物更集中在催化剂表面的裂纹处，表明催化剂裂纹是反应活性区域。
