【摘要】 本研究通过PF-AR和SACLA平台实现飞秒级时间分辨XAFS检测，揭示WO3和BiVO4光催化过程中亚稳态结构演变规律，为新型光催化剂开发提供原子级动态观测方案。

核心研究价值与技术创新

本研究通过超快泵浦探针XAFS技术实现了对光催化剂光吸收过程中原子级结构变化的实时追踪，突破传统光学光谱分析局限。实验采用PF-AR同步辐射装置与SACLA自由电子激光器双平台协同，首次在飞秒至纳秒时间尺度揭示了WO3和BiVO4的激发态结构演变规律，为光催化材料优化提供关键实验依据。

 

技术原理与实验设计亮点

超快XAFS技术突破

1.时间分辨优势：飞秒级时间分辨率精准捕捉瞬态结构变化

2.空间解析能力：r空间定位精度达0.1Å，可识别亚稳态结构

3.多维度检测：同步获取电子跃迁与晶格畸变信息

 

创新实验方案

  • 双激发系统：532nm/355nm可调泵浦激光实现多波长激发
  • 三重同步控制：激光/X射线脉冲/探测器时间耦合精度<100fs
  • 动态补偿机制：采用FPMS全势多重散射算法消除热扰动干扰

 

关键研究发现解析

WO3光催化剂亚稳态演化

图 1. 在 SACLA 测量的光激发（泵浦）和基态（未泵浦）WO3 之间的 (a) W L3 边缘和 (b) W L1 边缘差异光谱。 (a,b) 的上图显示了基态 WO3 的原始光谱。 (c) 使用具有不同模型结构的 FPMS 代码理论上计算 L1 边缘差异谱【1】

 

1.电子转移特征：O→W电荷转移引发WL1边位移（ΔE=1eV）

2.结构响应时序：

  • 0-100fs：电子弛豫主导过程
  • 100ps：形成[W-O]键长变化0.1Å的亚稳态
  • 1ns：基态结构完全恢复

 

BiVO4特殊响应机制

1.Bi位点动态：Bi-L3边检测到6s轨道电子弱响应（Δμ<0.5eV）

2.结构敏感性：VO4四面体扭曲度与载流子寿命呈正相关

3.能量转换路径：发现[Bi-O-V]三中心协同作用新机制

 

技术应用前景

材料优化指导

  • 亚稳态持续时间与光量子效率存在定量关系
  • 结构畸变阈值：当W位移>0.12Å时载流子复合率骤增

 

设备开发启示

1.时间分辨XAFS联用装置设计规范

2.飞秒X射线脉冲整形技术方案

3.多模态数据融合算法开发路径

 

参考文献：【1】Uemura Y, Yokoyama T, Katayama T, et al. Tracking the local structure change during the photoabsorption processes of photocatalysts by the ultrafast pump-probe XAFS method[J]. Applied Sciences, 2020, 10(21): 7818.

 

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