第一作者：代玮东
通讯作者：董帆教授、隆昶副研究员
通讯单位：电子科技大学基础与前沿研究院
论文DOI：10.1016/j.chempr.2024.10.012
可再生能源
驱动的非均相电催化在将地球上丰富的小分子和工业污染物转化为高附加值或环境友好的化学品具有巨大的潜力，激发了全球的研究兴趣。催化剂-电解质界面一直处于非均相电催化的前沿，探索催化体系（包括催化剂、电解质和电极电位）在分子或原子水平上结构与性能之间的构效关系。然而，近期大量表面重构现象的观察，挑战了依赖静态界面模型来阐明结构与性能关系的传统研究范式。因此，本文聚焦于催化剂-电解质界面模型，并从自由能的角度合理解释了催化剂表面重构行为的基本原理。随后，本文展示了预催化剂结构、特异性吸附物种(包括添加剂和反应中间体)和外场偏压对表面重构的影响，并介绍了基于当前对表面重构理解的最先进的调控策略。最后，本文突出了未来研究催化剂表面重构尚未探索但至关重要的科学挑战，包括影响重构和反应类型的未探明因素，原位表征和模拟技术发展的必要性，以及目前被忽视的催化剂失活问题。
可再生能源驱动的非均相催化为升级地球上丰富的小分子提供了一个极具潜力的途径。在非均相电催化研究中，催化剂-电解质界面是反应发生的地方，其特性决定了反应动力学。在过去的几十年里，经典的催化剂-电解质界面模型假设催化剂处于静态的模型，有效解释了实验结果，并为电催化研究提供了重要的见解。然而，随着表征技术和理论模拟的进步，催化剂，特别是更活跃的非贵金属基催化剂，被频繁地观测到在电催化反应中不可避免地发生结构演变，这种现象在催化剂表面尤其明显。由于催化剂-电解质界面处的表面重构，仅依赖于催化剂的初始结构（或更具体地说，预催化剂结构）来推断构效关系往往与实际情况不符，阻碍了对反应机制的全面理解。此外，基于先前的构效关系构建更高效催化剂的努力通常无法实现显著的性能提升。
因此，研究工况条件下的表面重构行为，了解催化剂-电解质界面在原子、分子和亚纳米水平上的表面重构规律变得至关重要。
1. 本文聚焦于
催化剂-电解质界面
处的表面重构行为，基于模型的思维方式，从自由能的角度合理阐述了催化剂表面重构行为的基本原理；
2. 本文从预催化剂结构、特异性吸附物种（包括添加剂和反应中间体）和外场偏压三个维度，深入探讨了工况条件下非均相催化剂表面重构行为的最新理解和调控策略；
3. 本文对未来非均相催化剂表面重构研究中尚未探索但至关重要的科学挑战进行了充分展望，推进了我们对表面重构过程及其在电解过程中精确调控的理解，最终有助于实际应用。
针对背景中提出的关键科学问题，电子科技大学董帆、隆昶等人围绕催化剂-电解质界面处电催化剂的表面重构行为进行了全面的总结与展望。本文首先介绍了催化剂-电解质界面模型的新见解，并从自由能的角度合理阐述了非均相催化剂重构的基本原理（图1）。在此基础上，本文深入探讨了工况条件下非均相催化剂表面重构行为的最新理解和调控策略（图2）。最后，本文对未来非均相催化剂表面重构研究中尚未探索但至关重要的科学挑战进行了充分展望。
图1. 深入理解电催化剂表面重构的基础模型示意图。
图3. 非均相电催化剂表面重构的关键结构特征示意图。
本文强调了催化剂表面重构在非均相电催化中的重要性，并基于催化剂-电解质界面的动力学模型，对实验中观察到的表面重构现象提供了全面的理解。根据重构催化剂-电解质界面模型和重构代表性案例的详细分析，本文对非均相电催化剂的重构机理有了更深入的了解。此外，已经充分证明了调控预催化剂结构、特定吸附物种（反应中间体和/或添加）和程序化的外场偏压来影响非均相电催化剂重构的热力学和动力学是可行的。此外，我们观察到非均相催化剂的重构不可避免地导致某些结构特征的变化（图3）。这些结构的变化进一步直接影响催化剂的活性、选择性和稳定性。因此，通过更好地了解潜在的重构规律或机制，战略性地控制重构行为可以在很大程度上指导催化剂的关键结构特征以理想的方式进化。然而，对于多相电催化中材料表面重构的研究还处于初级阶段，这些现象的基本原理和机制尚未完全阐明。在未来的研究中，还有许多方面有待探索。因此，本文对未来研究催化剂表面重构尚未探索但至关重要的科学挑战进行了充分展望。
董帆
，电子科技大学基础与前沿研究院，二级教授/博导/学术委员会主任，碳中和与环境能源新技术研究中心主任。研究领域为：大气污染控制与资源化、环境与能源催化和气体传感器件。国家杰出青年科学基金获得者(2022年)，国家万人计划青年拔尖人才(2017年)，国家优秀青年科学基金获得者(2018年)，国务院特殊津贴专家（2019年）；连续6年入选科睿唯安“全球高被引科学家”榜单（2018-2023年）；获得四川省杰出青年科学技术创新奖（2023年），中国环境科学学会青年科学家金奖（2020年），省部级自然科学奖一等奖2项和二等奖5项。主持国家自然科学基金项目8项、国家重点研发计划课题2项以及四川省创新群体等省部级重大/重点科研项目等20项。以通讯作者在Chem、PNAS、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Environ. Sci. Technol.、Sci. Bull.、Research、Adv.
Energy Mater.、ACS Nano、ACS Catal.、ACS Sens.、Mater. Today等国内外期刊发表学术论文200余篇。所有论文被SCI引用4.2万余次，50篇余论文入选ESI高被引/热点论文，H指数为110。担任美国化学会ACS ES&T Engineering期刊Topic Editor。
隆昶
，电子科技大学基础与前沿研究院副研究员，研究聚焦能源与环境应用中电化学表界面物质结构演变及能量转移规律。迄今为止，以第一或通讯作者在Chem、J. Am. Chem. Soc.、Sci. Adv.、Nat. Comm.、Nano Res.等国际高水平期刊发表学术论文8篇，谷歌学术被引2100余次，H因子23，主持国家自然科学基金青年项目和博士后面上项目，担任国际一流学术期刊Chem、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.等多个国际期刊独立审稿人，担任国产旗舰学术期刊The Innovation青年编委。
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