铁、锡基催化剂在多种能源化工过程中（如费托合成、CO₂加氢、离子电池、电催化等）均发挥着重要作用。借助高能量分辨的原位表征技术，揭示铁、锡基催化位点在不同能源催化过程中的真实结构，是澄清催化反应机制和开发高效催化体系的关键。穆斯堡尔谱由于其极高的能量分辨率，可定量探测铁、锡基催化位点的配位结构、价态、自旋态等信息。借助原位穆斯堡尔谱的独特优势，可以获取在实际反应条件下催化位点真实结构的动态变化机制，对于开发高性能催化剂以及优化反应路径具有重要意义。

图1 原位穆斯堡尔谱在非均相催化以及电池材料中应用的发展历程

自1979年以来，原位（in-situ/ operando）穆斯堡尔谱技术先后成功应用于锂离子电池，电催化反应(氧还原，析氧反应)，热催化反应(费托合成)等研究领域。2020年，原位穆斯堡尔谱技术被成功应用于单原子电催化领域，实现了在实际反应条件下对铁基单原子催化位点配位结构和电子结构的原位定量探测（Chem, 6, 2020, 3440）。近年来，原位穆斯堡尔谱技术迅速发展，已成为针对铁、锡基催化体系研究不可或缺的重要研究手段（图1）。

图2 原位穆斯堡尔谱应用于多种非均相催化和电极材料研究

近期，新加坡南洋理工大学刘彬教授团队和中科院大连化学物理研究所张涛院士团队合作在Cell Press细胞出版社旗下Chem Catalysis期刊发表题为“In situ/Operando Mössbauer Spectroscopy for Probing Heterogeneous Catalysis”的综述文章。该工作全面总结了原位穆斯堡尔谱在不同非均相催化以及电池材料（包括电催化，热催化、锂离子电池等）中应用的最新研究进展以及所发挥的独特作用，指出了原位穆斯堡尔谱在非均相催化领域中发展所面临的挑战和未来研究重点。

图3 原位穆斯堡尔谱在热催化以及锂电池中的应用

目前，原位穆斯堡尔谱被广泛应用于确定费托合成中碳化铁的活性相，电催化中M-N-C材料，单原子催化剂以及分子催化剂的活性中心，以及监测锂电池中(磷酸盐、硅酸盐等)金属化学状态的变化（图2）。在费托合成中，随着反应条件的改变，可以通过原位穆斯堡尔谱得到碳化铁物种的动态演变过程，从而确定活性相，进而更深入地了解活性/稳定性与结构之间的构效关系（图3a,b)。原位穆斯堡尔谱也可以监测锂电池电化学循环过程中电极材料中的Fe²⁺/Fe³⁺或者Fe³⁺/Fe⁴⁺氧化还原状态（图3c）。

图4 原位穆斯堡尔谱探测氧还原过程中单原子铁位点的动态演变机制

除此之外，原位穆斯堡尔谱也可应用于单原子催化领域，可获取实际反应条件下单原子铁催化位点的配位结构、价态、自旋态的定量信息，为原位探测催化位点结构的动态变化机制和揭开催化电子结构循环的黑匣子提供了新的契机（图4）。

大连化学物理研究所曾雅琼博士该工作的第一作者。上述工作得到国家自然科学基金，兴辽英才计划，新加坡教育部和新加坡科技研究局的支持。