综述：利用共振非弹性X射线散射研究可再生能源转换与存储材料

这篇综述系统阐述了共振非弹性X射线散射（RIXS）技术在研究电极材料电子结构方面的独特优势，重点探讨了其在过渡金属（TM）和轻元素（C/N/O）表征中的应用，揭示了该技术在电池、燃料电池和电解槽等可再生能源器件中的关键作用，为理解材料构效关系提供了新的研究范式（paradigm）。

　　

引言

在应对全球能源危机的背景下，可再生能源转换与存储技术（如电池、燃料电池和电解槽）的发展至关重要。这些技术的核心在于电极材料的设计，而过渡金属（TM）和轻元素（C/N/O）作为关键组分，其电子结构直接决定了器件性能。传统表征技术如X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）存在局限性，而新兴的共振非弹性X射线散射（RIXS）技术通过独特的"光子进-光子出"（PIPO）过程，能够同时获取占据态和未占据态轨道信息，为材料研究提供了全新视角。

RIXS技术原理

RIXS本质上是X射线吸收与发射光谱的结合体，可分为直接和间接两种散射机制：

• 直接过程：X射线激发深核电子（如K壳层或L壳层）跃迁至价带空轨道，随后价带电子回填产生非弹性散射
• 间接过程：核心空穴产生的强电势影响价电子行为，形成电子-空穴对激发态

该技术的独特优势体现在：

1. 通过mRIXS（映射RIXS）获取二维电子结构信息
2. 采用mRIXS-iPFY（反部分荧光产额）分析消除谱线畸变
3. 对体相材料和界面具有高灵敏度

在电极材料电子结构分析中的应用

以Pt纳米颗粒为例，RIXS成功揭示了CO吸附引起的电子结构变化：当CO以atop构型吸附时，RIXS谱中能量损失峰位移达4 eV，表明吸附导致d带中心下移。类似地，对非晶IrOx催化剂的研究发现：

• IrBL-Red（有机前驱体制备）在3.3 eV处显示窄激发峰，接近Ir(III)氧化态
• IrOx-Red（无机前驱体制备）则表现出金属相特征，具有更宽的5d轨道带宽

反应过程动态监测

通过设计流动电解池（图6A），研究者实现了OER过程中MnOx催化剂的原位RIXS表征：

• 电位升至1.45 V时，Mn L₃边显示Mn^IV特征峰增强
• 超过1.75 V后，电荷转移峰强度增加8-10%，表明氧参与氧化还原反应

在锂离子电池领域，RIXS成功解析了LiCoO₂正极材料在高压（4.6 V vs. Li/Li⁺）下的氧氧化还原行为。通过对比普通LCO和TMA（Ti-Mg-Al）掺杂样品：

• 普通LCO在523.7 eV处出现孤立峰，表明晶格氧氧化形成O^2-
• TMA-LCO未出现该特征峰，证明掺杂有效抑制了氧流失

定量分析应用

RIXS在量化氧化还原反应方面展现出独特优势。以Na_2/3Mg_1/3Mn_2/3O₂钠离子电池电极为例：

1. 充电至4.