化學反應的過程大多數時候是個黑盒子：反應物混合在一起，過了一段時間産物就出來了；反應物知道，産物知道，中間發生了什麼卻不清楚。從反應物到産物，中間通常會經過分子的碰撞，反應物化學鍵的斷裂，斷鍵的重組與異化，形成各種相對不穩定的中間體。這些中間體是反應進程階段性的産物，是理解整個反應機理的關鍵。然而，由于中間體隻是過渡結構，它們的存活壽命一般很短。常規的分子結構解析手段如核磁共振和x射線衍射等由于自身時間分辨率太慢（如核磁共振慢于幾微秒）或對樣品的性狀有特殊要求（x射線衍射樣品要求固體甚至單晶）等，在解析反應中間體的應用上有很大的局限性。隻有少數的壽命很長，或穩定到足以形成單晶的中間體結構才能被确定下來。因此，大多數快速變化的反應中間體的結構解析一直是一個巨大的挑戰。

    beat365官方网站的鄭俊榮課題組經過近十年的努力，利用自主開發的高能量寬頻多維紅外光譜技術（J. Phys. Chem. A. 115, 3357 (2011) & 117, 6052 (2013) & 117, 8407 (2013)）, 第一次展示了能夠将以前采用其它技術解析不了的快速變化的反應中間體的三維結構原位測定出來。這項發表在美國科學院院刊上（https://doi.org/10.1073/pnas.1809342115）的工作利用一束高強能量的飛秒中紅外光激發反應體系裡催化劑的一個振動，然後用另外一束超寬頻的飛秒光探測這個振動的激發對反應物上所有振動頻率的影響。通過掃描激發頻率，催化劑上的任意振動激發對反應物的振動頻率的影響就被直接測量下來。利用簡單的物理原理，這種振動的相關性可被定量地轉換成化學鍵與化學鍵之間的夾角，進而轉換成催化劑與反應物結合成的反應中間體的三維結構（圖1）。該反應中間體結構解析工作是與沙特KAUST的Kuowei Huang教授組多年合作的結果，是物理化學新技術與有機化學重要反應碰撞出來的火花。

圖1. (1)催化劑（Ru配合物）、反應物（甲酸）、及兩者結合的反應中間體的FTIR圖譜，(2) 超快紅外實驗原理與數據，(3) 不考慮溶劑特殊相互作用的理論計算最佳中間體結構與二維紅外測定的中間體結構。

    今年年初，利用該技術，通過測量陰陽離子間的相互取向，鄭俊榮組發現離子液體主要是由解離的自由離子而不是離子對組成的（Chem. Sci. 9, 1464 (2018)）。這為100多年來一直未能确定的離子液體的确切結構提供了的重要的實驗證據，該成果也解決了近年來人們關于這一問題的激烈争議。（例如： Israelachvili etc., PNAS, 110, 9674 (2013)； Perkin etc., PNAS, 110, E4121 (2013)）。

在與Huang教授合作解析甲酸降解反應中間體結構的過程中，北大與沙特團隊發展了一系列高效的促進甲酸降解生成氫氣的催化劑，并将此方法發展成一種安全的液體儲氫方式（常壓，低于70 °C），有望解決氫氣燃料電池高壓氫氣的儲存與運輸問題：他們于2016年在世界上率先開發出400瓦的甲酸氫氣燃料電池模型汽車（ACS Energy Lett. 2017, 2, 188）；之後于2018年初及9月份先後開發出全自動甲酸氫氣燃料電池發電系統工程樣機與産品樣機（圖2）。

圖2. 工程樣機(左)和産品樣機（右）

    甲酸不易燃不易爆，安全無毒，既可以從氫氣與CO₂結合而來，也可以用煤加水制得。我國煤多油少氣也少，利用甲酸做安全液體儲氫符合我國能源結構調整的需求。甲酸降解的氫氣可以供給燃料電池發電，煤變甲酸産生的熱可以供暖。上述方法有望将燃料電池供氫的瓶頸問題、煤的清潔利用問題和北方冬天取暖等問題一并解決，減少我國對進口石油與天然氣的依賴。鄭俊榮團隊已經開始與相關單位合作，争取将該技術進一步應用到重要的國防項目和民生領域上。