背景
同步辐射是一种高强度、高亮度的电磁辐射，具有波长范围广、准直性好、脉冲时间短等优点。这些特性使其能够深入探究材料的微观结构和电子态，为光催化研究提供了独特的视角。在过去几十年里，同步辐射技术在光催化领域的应用不断拓展。从早期对光催化剂结构的初步表征，到如今对光催化反应机理的深入解析，同步辐射技术推动着光催化研究不断向前发展。
目前，科研人员利用同步辐射技术研究光催化剂的晶体结构、原子配位环境以及电子转移过程，以优化光催化剂的性能。例如，通过X射线吸收光谱（XAS）技术，可以精确测定催化剂中原子的氧化态和配位情况，了解活性位点的本质；利用同步辐射光电子能谱，能够分析催化剂表面的电子结构和化学组成，揭示光催化反应的起始步骤。
基础知识
（一）X 射线吸收近边结构（XANES）
XANES（X-ray Absorption Near Edge Structure）主要用于研究材料中原子的化学环境和电子结构。当X射线照射到样品上时，特定能量的光子会被原子吸收，使原子内壳层电子跃迁到未被占据的能级。通过测量吸收系数随光子能量的变化，可得到 XANES 光谱。从光谱中吸收边的位置、形状和强度等信息，可以推断原子的氧化态、配位情况以及化学键的性质。例如，在过渡金属催化剂的研究中，XANES能清晰地显示金属原子周围配体的种类和数量，以及金属与配体之间的电子相互作用 。
（二）扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）
EXAFS（Extended X-ray Absorption Fine Structure）是在XANES基础上，对吸收边附近更精细结构的研究。其原理基于光电子在吸收原子周围的散射现象。当原子吸收 X 射线光子后，发射出的光电子会与周围原子相互作用并发生散射，这些散射波会与入射光电子波干涉，形成调制信号。通过对EXAFS光谱的分析，可以获得原子周围的局域结构信息，如原子间的距离、配位数等 。
公式中，I(k)代表吸收系数的振荡部分，它包含了原子周围结构的信息。I0(k)是初始吸收系数，σ2反映原子间距离的均方根偏差，r是原子间距，λ(k)是光电子平均自由程，Nj是第j壳层的原子数，rj是第j壳层原子与吸收原子的距离，fj(k)是第j壳层原子的散射振幅 。这个公式表明，EXAFS 信号与原子结构参数密切相关，通过对公式中各参数的分析，能深入了解材料的微观结构。
（三）小波变换（WT）
小波变换（Wavelet Transform）是一种数学分析方法，在同步辐射数据处理中具有重要应用。它能够将信号在不同尺度上进行分解，从而更清晰地分辨出信号中的不同频率成分。与传统的傅里叶变换相比，小波变换具有更好的时频局部化特性，能够在不同的波数和半径区域同时展示信号的特征。在同步辐射研究中，小波变换常用于处理EXAFS数据，帮助科研人员更准确地确定原子的配位结构，区分不同壳层原子的散射信息。
（四）同步辐射广角 X 射线散射（WAXS）
WAXS（Synchrotron-based Wide-Angle X-ray Scattering）利用同步辐射产生的高强度X射线，研究材料的纳米级结晶度和精细堆叠特征。通过测量不同角度下的X射线散射强度，得到材料的衍射图案。从这些图案中，可以计算出晶面间距（d-spacing）、晶体结构等信息。例如，通过分析WAXS数据，可以判断材料是否存在结晶相，以及结晶相的类型和含量，对于研究材料的微观结构变化具有重要意义 。
（五）软X射线吸收光谱（sXAS）及近边 X 射线吸收精细结构（NEXAFS）
软X射线吸收光谱（Soft X-ray Absorption Spectroscopy，sXAS）在较低能量范围内研究材料的电子结构和化学组成。近边X射线吸收精细结构（Near Edge X-ray Absorption Fine Structure，NEXAFS）是sXAS的重要部分，它关注X射线吸收边附近的精细结构，能够提供关于原子的化学键、分子轨道等信息。通过NEXAFS光谱，可以分析材料中元素的化学状态、配位环境以及分子的取向等，为深入理解材料的性质和反应机理提供微观层面的依据。
案例解读
在这里给大家解读一篇运用同步辐射技术深入探究新型碳氮化物用于塑料衍生物光催化重整的文献，不管你是科研小白还是资深学者，相信都能从中收获满满！
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57999-w
（一）X射线吸收近边结构（XANES）分析
确定Ir 的氧化态和配位环境：利用加拿大光源06ID-1硬X射线微分析（HXMA）光束线，对含有铱单原子的碳氮化物（CNIrSA和MCIrSA）进行XANES分析。在Ir的L3边XANES 光谱中，CNIrSA和MCIrSA均显示出在11215.5 eV和1121.6 eV处的尖锐上升边，这是由于2p→5d跃迁引起的。其光谱特征与IrO2相近，表明铱以+4价的氧化态存在且与两个氧原子配位。同时，未观察到预边特征，表明Ir物种具有中心对称的配位环境。
分析电荷转移情况：通过比较CNIrSA和MCIrSA与IrO2的非归一化原始光谱，发现CNIrSA和MCIrSA的白线强度增加，这意味着电子密度降低，氧化特征增强。而MCIrSA表现出最高的白线强度，说明Ir在NCN功能化的O桥连碳氮化物中配位效果更好。
（二）扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）分析
确定样品的配位环境：MCIrSA的FT-EXAFS光谱在1.62 Å处有一个尖锐的第一配位壳层，源于Ir-N/O散射，且不存在第二壳层散射，说明存在孤立的Ir-N/O。CNIrSA在1.54 Å处有Ir-N/C的散射峰，在2.62 Å处的小峰可能来自相邻氮原子的散射或部分团聚的Ir-Ir。
计算键长和配位数：通过对这些数据的拟合，可得到MCIrSA中Ir-O键长为1.80 Å，Ir-N键长为2.02 Å，配位环境与DFT模型计算结果相符 。同时，与Ir foil（有强Ir-Ir配位峰，位于2.56 Å ）和IrO2纳米颗粒（有Ir-O-Ir峰）对比，可确定材料中不存在明显的Ir-Ir相互作用，进一步证实了铱以孤立单原子形式存在于催化剂中。
（三）小波变换（WT）EXAFS分析
确认Ir的存在形式：MCIrSA在K=5.38 Å⁻¹和R=1.62 Å处有尖锐区域，对应于Ir-O/Ir-N键的第一壳层散射 。Ir foil在K=12.47 Å⁻¹和R=2.59 Å处的尖锐区域则归因于Ir-Ir散射 。MCIrSA在较低K空间出现特征峰且高K值处无Ir-Ir散射区域，再次确认铱以单原子形式与低原子序数的O/N原子配位 。
比较不同样品的配位结构：与IrO2纳米颗粒对比，MCIrSA虽在R空间值（1.62 Å ）与之一致，但不存在第二壳层散射，有力地证明了其孤立Ir-O物种的存在，为催化剂结构提供了更清晰的图像。
（四）同步辐射广角X射线散射（WAXS）分析
分析材料的纳米级结晶度和精细堆叠特征：以CN和MC为例，CN的WAXS 2D探测器图像显示出对应于（002）和（100）平面的宽衍射环，通过校准得到的Q值分别为0.911 Å⁻¹和1.912 Å⁻¹，计算出的d-间距为1.6 Å和3.2 Å，与XRD结果吻合良好 。MC的（002）和（100）峰位置向高Q值移动（分别为0.933 Å⁻¹和1.954 Å⁻¹），表明N-C=N功能化使MC的晶面间距增加 。在研究含铱催化剂时，CNIrSA和MCIrSA的衍射强度因超声处理导致的片层剥落而降低，但峰位置基本不变，且未出现与铱纳米颗粒或团簇相关的额外峰，证实了铱在材料中的原子级分散状态，有助于深入了解材料结构变化对性能的影响。
（五）软X射线吸收光谱（sXAS）及近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）分析
探究材料的局部化学环境和配位形式：通过激发–发射矩阵光谱（EEMS）测量，能确定材料中元素的存在。CN的EEMS光谱在约285 eV、399 eV和530 eV处有荧光带，分别对应C的K边、N的K边和O的K边激发 。MC中O的K边强度相对CN更高，表明其桥接位点的氧掺杂增加 。MCIrSA在装饰铱单原子后，各元素K边峰依然存在，但O的K边峰强度降低，可能是表面吸附氧功能团减少所致。从NEXAFS光谱中C和N的K边分析可知，CN和MC的基本碳氮化物结构相似，且未检测到N-C=N功能团的明显变化 。O的K边NEXAFS光谱显示，CN、MC和MCIrSA在531.8 eV和534.6 eV处有主要的π*共振峰，源于残留含氧功能团的贡献，且未出现额外桥接氧峰，说明氧掺杂浓度低且电子环境相似，为材料结构和组成分析提供了微观层面的信息。
同步辐射技术在研究中的优势与意义
同步辐射技术它能够在原子和分子水平上对材料的结构、电子态和化学环境进行精确分析，为理解光催化剂的性能和反应机理提供了关键信息。例如，通过XANES、EXAFS等技术准确确定了铱单原子在碳氮化物中的氧化态、配位环境和原子分布，这是理解催化剂活性和稳定性的基础。结合同步辐射技术，可以从不同角度深入探究材料的性质和光催化过程，为开发高效的光催化体系提供了有力的技术支持，推动了光催化降解塑料衍生物等相关领域的发展。
