时空分辨同步辐射新方法及其功能材料的动力学研究

现代物质科学的飞速发展促使人们希望能在原子和分子水平上操纵物质的合成和功能化过程，实现功能材料特定性能的剪裁，为此亟需能够同时从更快(时间)和更小(空间)的角度去揭示物质在瞬态和微区的非平衡态动力学过程的实验新方法。同步辐射由于其高亮度、宽波段和时间结构等诸多优异特性，具有实现时空分辨技术的优势。本项目拟利用国内的同步辐射大科学装置和我们已积累的经验，建立具有毫秒时间分辨和亚微米空间聚焦能力相结合的XAFS/XRD公共研究平台，自主研制这一技术的关键光电元器件，解决微聚焦、数据快速采集、快电子学控制之间的协调联动等一系列关键技术问题。利用时空分辨同步辐射技术对物质科学中若干重要的微区动力学过程开展深入的研究，如强关联电子材料的相变过程、块体非晶态金属玻璃的晶化过程、纳米材料合成的化学反应进程等，力争做出一些源头创新的、有特色和国际影响力的成果，大幅度提高国内同步辐射平台的研究水平。

发展同步辐射时空分辨新技术，揭示物质在瞬态和非平衡态的动力学过程，对于在原子和分子水平上操纵物质的合成和功能化过程、实现功能材料特定性能的剪裁等都具有非常重要的意义。本项目于2012年1月启动实施，进展顺利。在项目执行期间，基于国内的同步辐射大科学装置，建立了具有毫秒时间分辨和微米空间聚焦能力的同步辐射X射线吸收谱学研究平台，实现了能量色散XAFS测试方法，全谱采集时间达到毫秒量级；发展了毛细管共聚焦微区的空间分辨XAFS测量技术，空间分辨率达微米左右；发展了K-B镜聚焦系统和波带片聚焦系统，实现了亚微米量级空间聚焦光斑的XAFS扫描测量。利用发展的时空分辨同步辐射新技术，对纳米、能源和磁性领域中若干重要科学问题开展深入研究，取得了一些有重要影响力的研究成果：明确了贵金属Pt纳米颗粒在初期成核动力学过程和Au纳米团簇的合成过程和改性过程中的结构演变规律，为最终调控纳米材料体系的合成和性能剪裁提供了有益借鉴；优化设计并合成出一维Fe2TiO5¬-TiO2纳米管阵列和二维CoOOH纳米片等系列先进能量转化材料，使其在可见光波长范围的量子转换效率高达40%以上和光生电子-空穴对的分离效率达到60-90%，大幅提升了材料的能量转换效率，并揭示了材料高效光/电解水产氢以及光电催化还原的物理机制，为指导合成高效太阳能转换材料提供了新思路；针对设计的不同结构形式的零维Co-ZnO@ZnS量子点和二维Fe2O3、MoS2纳米片，实现了材料由反铁磁相互作用向铁磁相互作用的转变，揭示了元素或相掺杂以及二维超薄结构弛豫调控磁、电输运等物理性能的机理，为有效操纵材料磁性相互作用提出了新途径。依托本项目共发表SCI收录论文49篇，其中代表性论文有Nature Commun. 4篇， J. Am. Chem. Soc. 8篇，Angew. Chem. Int. Ed. 4篇，ACS Nano 2篇，2篇论文分别被选为著名国际期刊的封面页和有重要影响力的论文（VIP paper），获得授权国家发明专利3项。项目执行期间一名成员获得基金委优秀青年基金项目，三名成员晋升为研究员，一名成员晋升为副研究员。