مطيافية امتصاص الأشعة السينية (XAS)،بفضل دقتها على المستوى الذري، تلعب دورًا لا غنى عنه في أبحاث بطاريات الليثيوم أيون وخلايا الوقود والمواد المحفزة ضوئيًا، ويتجلى ذلك على وجه التحديد في الجوانب التالية:

بطاريات الليثيوم أيون: تحليل السلوك الديناميكي وآليات الأكسدة والاختزال لمواد الأقطاب الكهربائية

تُمكّن تقنية امتصاص الأشعة السينية (XAS)، من خلال التحليل التآزري لبنية امتصاص الأشعة السينية القريبة من الحافة (XANES) وبنية امتصاص الأشعة السينية الدقيقة الممتدة (EXAFS)، من تتبع تطور حالة التكافؤ والتغيرات البنيوية الموضعية في مواد الأقطاب الكهربائية في الوقت الحقيقي أثناء عمليات الشحن والتفريغ. على سبيل المثال، في مواد الكاثود الغنية بالليثيوم والمصنوعة من المنغنيز، تكشف تقنية XANES أن أيونات النيكل تتأكسد إلى ما يقارب Ni⁴⁺عند شحنها إلى 4.3 فولت، يتبع ذلك انخفاض طفيف في حالة التكافؤ عند 4.8 فولت، ثم تعود تدريجيًا إلى حالتها الأولية أثناء التفريغ، مما يدل على سلوك أكسدة-اختزال عالي الانعكاسية. يؤكد تحليل طيف امتصاص الأشعة السينية الممتد (EXAFS)، من خلال دراسة التغيرات في أطوال روابط Ni-O، أن تكوين فراغات تنسيق الأكسجين هو العامل المهيمن في عملية تعويض الشحنة. علاوة على ذلك، يمكن لتقنية امتصاص الأشعة السينية (XAS) المقترنة بتقنية تشتت الأشعة السينية غير المرن (RIXS) أن توضح مسارات الأكسدة-الاختزال لأكسجين الشبكة البلورية، مما يوفر أسسًا نظرية لتصميم مواد الكاثود ذات كثافة الطاقة العالية.

خلايا الوقود: الكشف عن المواقع النشطة للمحفزات وآليات الاستقرار

يُعدّ مطياف امتصاص الأشعة السينية (XAS) أداةً أساسيةً لدراسة الخصائص الديناميكية لمحفزات خلايا الوقود. على سبيل المثال، في محفزات الجسيمات النانوية القائمة على البلاتين، يُستخدم مطياف امتصاص الأشعة السينية القريب من الحافة (XANES) لتحليل موضع حافة امتصاص البلاتين L.₃تكشف تقنية امتصاص الأشعة السينية الممتدة (EXAFS) عن تفاعلات قوية بين البلاتين والزنك/الكوبالت، مع انتقال الإلكترونات من البلاتين إلى الزنك والكوبالت، مما يفسر الآلية الإلكترونية الكامنة وراء النشاط المحفز المعزز. وتؤكد هذه التقنية، من خلال تحليل أطوال روابط التناسق بين البلاتين والزنك والبلاتين والكوبالت، أن بنية اللصق الذري "Pt-Zn-N" تعمل على تثبيت جزيئات البلاتين-الكوبالت عبر روابط كيميائية، مما يمنع التكتل عند درجات الحرارة العالية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام تقنية امتصاص الأشعة السينية (XAS) لدراسة الاستقرار البنيوي للمحفزات بعد المعالجة الحمضية، مما يوفر معايير أساسية لتحسين تصميم المحفز.

المواد المحفزة ضوئياً: توضيح مسارات نقل الشحنة والتفاعل

من خلال تحليل البنية الإلكترونية وبيئة التنسيق لمواقع المعادن، يمكن لتقنية امتصاص الأشعة السينية (XAS) الكشف عن الآليات المجهرية لفصل الشحنات ونقلها في المواد المحفزة ضوئيًا. على سبيل المثال، في دراسات محفزات الكوبالت أحادية الذرة (Co-SAs/NC)، توضح تقنية XAS المقترنة بتحليل طيف رامان دور رابطة Co-N₄تُسهم هياكل التنسيق في تعزيز تحويل أنواع الكبريت، كاشفةً كيف يُعيق التطور الديناميكي لروابط الكوبالت-الكبريت انتقال متعدد الكبريتيد. إضافةً إلى ذلك، يُمكن تطبيق مطيافية امتصاص الأشعة السينية لدراسة تغيرات حالة التكافؤ في المحفزات الضوئية أثناء التفاعلات، مما يُوفر رؤى على المستوى الجزيئي لتحسين الأداء التحفيزي الضوئي.