精准识别催化材料纳米尺度下的分子结构、化学键合状态及其空间分布，对于揭示材料性能起源和催化反应机理具有重要意义。近年来，纳米红外光谱技术为纳米尺度化学分析提供了重要手段。然而，受限于传统红外光源的波段覆盖范围和亮度，该技术目前主要工作于中红外区域，对于金属配位键、氢键、晶格振动等远红外低频模式的探测能力仍显不足。红外自由电子激光（IRFEL）具有宽波段连续可调谐、高亮度和高相干性的独特优势，是目前远红外波段唯一可连续调谐的高亮度相干光源。因此，依托基于先进IRFEL的纳米红外光谱技术，在纳米尺度下同步获取材料形貌与远红外分子结构信息，有望为复杂材料体系中局域结构及催化反应机制的研究提供新的研究范式。
有鉴于此，中国科学技术大学国家同步辐射实验室姚涛、鲍骏、薛佳伟团队在IRFEL纳米红外光谱探测及催化研究中取得新进展。研究团队开发了一种新型二维金属-有机配位聚合物催化剂（Cu-Btz-Hz），该催化剂在800 mA・cm-2 的高电流密度下，甲烷的法拉第效率达到61%，性能远超传统Cu-N-C单原子催化剂。通过IRFEL纳米红外光谱技术，研究人员对该催化剂的分子结构进行了精准表征，揭示了其优异性能的内在机制。相关成果以"Metal-π Sites Localized Hydrogen-*CO Coupling for Enhanced CO2 Electromethanation"为题发表于国际学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，并被遴选为Very Important Paper (Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e4689245)。
研究团队依托合肥红外自由电子激光（Hefei Infrared Free Electron Laser, HiFEL）纳米红外光谱实验站：
1. 实现了Cu-N配位键的直接观测
传统傅里叶变换红外光谱（FTIR）由于光源亮度限制，难以清晰观测到Cu-N键的振动信号。而HiFEL纳米红外光谱技术成功在660 cm-1处探测到了清晰的Cu-N键振动峰，直接证实了Cu原子与有机配体之间的配位作用，为催化剂的分子结构模型提供了关键的实验证据。
2. 纳米成像揭示了活性位点的空间均匀性
研究人员利用该技术对催化剂结构进行了纳米尺度的化学成像，结果显示Cu-N信号在纳米尺度上呈现出高度均匀的分布。这一可视化证据直接证明了催化剂中存在周期性重复的Cu-π结构单元，而这种均匀分布的活性位点是催化剂实现高选择性和高稳定性的重要基础。
3. 远红外区探测到关键的分子内氢键
更为重要的是，该技术在200-300 cm-1的远红外区探测到了强烈的分子内氢键信号。这一信号在常规FTIR中几乎无法检测到。研究发现，这些由-NH-NH-氢原子与三唑氮原子形成的分子内氢键，能够有效稳定催化剂的二维层状结构，显著增强其在电化学反应过程中的化学稳定性。长达20小时的恒电流电化学测试表明，催化剂的甲烷选择性几乎没有下降，充分验证了这一结构优势。
图1红外自由电子激光纳米光谱技术解析催化材料分子结构
在学校“基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置”光源优化改进项目支持下，HiFEL光源品质和稳定性得到显著提升，为本研究工作提供了关键的光源基础。本论文的通讯作者是姚涛教授、丁韬特任研究员、薛佳伟高级工程师和刘栋博士后，共同第一作者是硕士研究生刘梦圆、丁韬特任研究员和博士研究生蒋帅威。相关研究得到了国家杰出青年基金、科技部重点研发计划等项目的资助，也得到了合肥国家同步辐射实验室、上海和北京同步辐射装置测试机时的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.4689245
