说明：本文华算科技介绍了同步辐射同步辐射（）是一种由高能带电粒子在磁场中沿曲线轨迹运动时发出的高亮度连续谱电磁辐射，其具有高光通量、宽能区、准直性好和时间结构可调等特征。

其基本原理在于，当入射光子能量与目标元素内层电子的束缚能相等时，电子从内层轨道跃迁至连续态或未占据态，导致吸收系数发生突变。记录吸收系数随能量的变化，可得到反映局部电子结构和配位环境的谱图。

图1：快扫描（）与原位电化学XAS实验示意XANES/WT-EXAFS/FT-EXAFS面板。：同步辐射的最大优势之一是其极高的元素选择性。由于每种元素的内层电子能级独特，其吸收边位置固定，因此只需调节入射光子能量即可选择性地探测目标原子。

同步辐射提供的高通量与精确能量分辨率，使得即使是10-4XAS图2：单原子催化剂的XANES/EXAFS证据：排除了”。：X同步辐射所提供的高能量分辨率能够清晰分辨吸收边位置和白线强度的细微变化，这些变化直接对应着中心原子的价态与电子态密度。

例如，Ni1O3Pt1体系中白线强度的增强常表征金属向载体的电荷转移行为，从而解释了催化反应中价态动态变化的根源。

图3：单原子嵌入范德华间隙的Pt L-edge XANESDOI10.1038/s41467-022-34572-3

04、EXAFS提供定量的局域几何结构信息

的另一部分—延伸精细结构（EXAFS）—主要揭示中心原子与邻近原子的空间几何关系。当内层电子被激发后，其形成的光电子波与周围原子散射波发生干涉，从而在吸收系数中形成振荡结构。

借助理论计算程序（如FEFF或FDMNES），研究者可以拟合出单原子与周围原子的配位构型，如M–N4M–O4M–S6通过这种分析，可以直接判定金属原子是否以孤立形式存在，是否形成金属团簇或氧化物物种。EXAFS图4：单原子位点：、FT-EXAFS与WT-EXAFS综合表征。：10.1038/s41467-019-12362-8

05、同步辐射赋予的高时间分辨率与原位表征能力

XAS通过设计反应腔体，研究者能够在催化反应、电化学操作或高温高压环境中实时采集XANES与EXAFS数据，捕捉金属原子的价态迁移、配位重构及电子态动态变化例如，在CO₂还原或析氧反应体系中，原位XAS揭示了过渡金属单原子在反应中经历的可逆氧化还原循环，为阐明真实活性位结构提供了直接证据。

图5：：不同偏压下的XANES、Δμ-XANES与FT-EXAFS及模型拟合。DOI：随着第一性原理计算与机器学习XAS同步辐射XAS具有高度可重复性和能量稳定性，使得实验与理论谱图对比成为可能。

同步辐射光源的微束聚焦能力更进一步扩展了空间分辨成像XAS（μ-XAS）与X射线吸收显微术（X-ray Absorption Microscopy）的应用，使单原子分布与局域电子态可视化成为可能，为理解异质催化中的空间非均一性提供了新的研究途径。

Pt3Fe KDOI10.1038/s41929-022-00796-1

07、数据处理与信号解析的挑战及发展方向

XAS首先，单原子体系中吸收信号极弱，需通过多次积累及优化探测器几何结构来提高信噪比；其次，复杂载体背景与多散射效应常导致拟合不唯一问题。

这些技术进步不仅提升了单原子结构表征的分辨率，也为高通量筛选与数据驱动催化设计奠定了基础。

Ni-Co10.1038/s41467-021-27145-3

08、结语：同步辐射XAS在单原子研究中的未来前景

XAS于一体的独特特征。它在揭示孤立原子价态变化、配位环境及电子耦合行为方面具有无可比拟的优势。

结合机器学习驱动的谱图识别与多模态同步表征，XAS有望从单一光谱技术演进为全维度结构—电子态解析平台，为精准调控单原子催化性能与揭示其结构—性能关系提供更坚实的科学支撑。

ESRF-EBS10.1038/s42005-023-01195-z