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湖南大学王双印教授：缺陷与催化研究进展

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-09-15 19:32

正文

固体材料的物理与化学性质由其组成和内部原子的结合方式决定。固体中普遍存在缺陷，而且其许多性质(如电学、热学、光学、磁学、声学和力学等性质)都受到结构中缺陷的影响。近年来，固体缺陷化学的基础理论逐渐建立，材料的缺陷已经成为研究材料结构特性的核心。目前，缺陷工程在功能材料的科学研究中得到了广泛应用。特别是在热电、光电、催化、能源存储/转换等前沿领域发挥着重要的作用。

固体缺陷化学

固体缺陷化学是研究固体材料中缺陷的产生、种类、结构、浓度，以及对其性能产生影响的学科。固体物质根据构成固体微粒之间化学键类型分为离子晶体、共价晶体、金属晶体、分子晶体等。固体在热力学温度0K 时以最稳定的完美晶体状态存在，理想晶体中的原子、离子或分子按照一定的规则排列成理想空间点阵，形成长程有序结构，此时晶体的内部能量最低。实际晶体处在高于0K 温度的环境中，几乎都存在原子缺失、异质原子嵌入或原子错位等偏离理想结构区域，晶体结构出现不完整。实际晶体内部偏离理想空间点阵的区域称为晶体缺陷，它能对材料的力学、光、电、磁等物理、化学性能产生重要影响。缺陷的存在对材料的性能有利有弊，在材料设计过程中，可以根据特定需要，引入合适的缺陷，实现调控材料性能的目的。因此，研究晶体缺陷是固体缺陷化学的重要内容。

在催化过程中，催化剂直接影响化学反应的动力学、选择性和稳定性等重要性质。催化剂表面活性位点的物理化学性质直接影响反应分子在表面的吸脱附过程，是决定催化反应特性的重要因素。随着近几十年催化领域的发展，人们发现催化材料的表面缺陷可通过影响和改变催化活性位点处的电子、几何结构等重要性质，从而改变催化剂的催化活性。因此，催化剂中缺陷结构对催化活性的影响受到越来越多人的关注，催化材料的缺陷调控已经成为催化剂微结构制备的重要方向。固体缺陷催化剂的发展不仅促进了凝聚态物质中微结构的丰富、识别和精准制备，加深了缺陷化学与催化反应之间关联的理解，更重要的是在开发缺陷催化剂用于小分子的催化转化上取得了许多重要进展，是缺陷与催化体系的重要组成部分和研究方向。

▲ 缺陷直接作为反应位点催化反应发生

目前，随着能源转换技术和纳米技术进一步的发展，纳米材料催化剂的研究在催化领域已成为前沿热点，而缺陷催化剂在包括电催化、光催化、热催化等各个方向的研究和应用也越来越多。同时，人们发现缺陷在催化剂中起到的作用并不是单一地作为活化分子的位点，而是多方面的，并且随着研究的深入，人们已经可以通过设计催化剂的缺陷结构实现对缺陷作用的丰富和拓展，以合成具有更高活性、更多功能的催化剂。

尽管多年来围绕缺陷与催化取得了众多研究进展，初步探索了缺陷在催化中发挥的重要作用，开发了一些高效的缺陷催化剂，但其中仍有不少问题有待进一步理解与探究。由于缺陷的多样性和复杂性，催化剂中往往存在不同浓度、分布和类型的缺陷，缺陷浓度的不同、分布的差异及不同类型缺陷间的相互作用对催化剂活性的影响都各不相同，而这些影响仍然未能被系统、清晰地认识到。此外，催化剂缺陷化学的研究还缺乏足够的理论基础，未能形成一套系统、全面、精确的理论来指导缺陷催化剂的设计、合成。这些问题都是目前在学科前沿发展过程中面临的挑战，但也说明催化剂缺陷化学的研究已经逐渐成为前沿科学研究主题中一个非常重要的分支。

湖南大学王双印教授长期从事电催化剂缺陷化学相关科学研究，积累了大量实验数据。基于以上科研成果，结合国内外缺陷与催化研究的最新进展，《缺陷与催化》（王双印主编. 北京：科学出版社，2023.12）一书主要围绕缺陷与催化开展的研究工作进行系统论述。从缺陷化学的基础出发，系统地梳理和总结了缺陷-催化研究的起源、发展及对未来的展望，包括固体缺陷化学的基础、缺陷催化剂的合成和表征及缺陷在催化中重要作用的总结等几个方面。全书共7 章。

第1 章对固体缺陷化学及其与发展进行总体介绍；
第2 章对催化中的缺陷材料及其作用机制进行介绍；
第3 章介绍碳材料缺陷与催化；
第4 章介绍金属材料缺陷与催化；
第5 章介绍金属化合物材料缺陷与催化；
第6 章介绍金属有机配位化合物缺陷与催化；
第7 章对负载型材料缺陷与催化进行了介绍。

本书大部分内容来源于作者近年来的研究成果，这些成果是在国家自然科学基金、中央组织部“青年千人计划”等项目，以及湖南省科技厅、湖南大学等单位的支持下完成。为全面、准确地反映缺陷与催化研究的进展，本书引用了大量的文献，在此一并表示最诚挚的谢意！

相信本书将为从事缺陷与催化研究的科研工作者提供一些理论指导和借鉴，也能更好地帮助相关学科科研工作者充分了解和掌握缺陷与催化领域的研究现状和发展动态，同时也为今后相关领域的发展方向提出一些新思考。

本文摘编自《缺陷与催化》（王双印主编. 北京：科学出版社，2023.12）一书“前言”“第1 章固体缺陷化学及其发展概述”“第2 章催化中的缺陷材料及其作用机制概述”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-077366-1

责任编辑：万群霞

本书主要围绕作者在缺陷与催化方面开展的研究工作进行了系统梳理和总结，内容包括固体缺陷化学及其发展概述、催化中的缺陷材料及其作用机制概述、碳材料缺陷与催化、金属材料缺陷与催化、金属化合物材料缺陷与催化、金属有机配位化合物缺陷与催化、负载型材料缺陷与催化等。通过催化剂表面缺陷的构筑，设计高性能催化剂，认识缺陷产生机制，理解缺陷与催化性能之间的构效关系，构建其在催化剂设计方面的应用基础，为新型催化剂的设计提供理论依据。

本书可供从事催化研究的科研工作者，以及相关学科高等院校及科研院所化学、材料、能源、环境等相关专业教师、学生使用和参考。

（本文编辑：刘四旦）

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