精確控制電催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌有助于深入探究催化劑的構(gòu)效規(guī)律并提高其對各種重要反應(yīng)的電催化性能，如氧還原/析氧反應(yīng)（ORR/OER）、氫氧化/析氫反應(yīng)（HOR/HER）、CO2還原/氮還原反應(yīng)（CO2RR/NRR）等。利用物理和化學(xué)限域策略可以實現(xiàn)電催化劑從宏觀到原子水平上的精確合成及對其催化特性的調(diào)控，從而滿足特定的應(yīng)用需求。
近日，中科院化學(xué)研究所萬立駿院士/胡勁松研究員等總結(jié)了近年來利用限域合成策略精確控制電催化劑的結(jié)構(gòu)、形貌及其電催化特性的研究進(jìn)展。文中依據(jù)限域合成的尺度，將限域效應(yīng)分為前驅(qū)體自限域效應(yīng)、納米空間限域效應(yīng)和化學(xué)鍵合原子尺度限域效應(yīng)，結(jié)合該團(tuán)隊的代表性研究，系統(tǒng)介紹了從宏觀水平、納米水平到原子水平精確制備具有明確結(jié)構(gòu)的高效電催化劑的限域合成策略（圖1）。
圖1 宏觀至原子水平限域策略精確合成高效電催化劑的示意圖
本文要點 01 前驅(qū)體自限域策略 宏觀尺度具有分級微/納米陣列結(jié)構(gòu)的一體化電極具有較大的表面積和多級微納復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，不僅可以暴露高密度有效電催化位點，而且可以同時實現(xiàn)高效電荷傳輸和物質(zhì)輸運，因此在很多涉及氣液固三相界面的電催化能源器件中表現(xiàn)優(yōu)異。通過預(yù)合成具有這種結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體電極基底，進(jìn)而通過前體自限域轉(zhuǎn)化/生長高效催化劑，可以在宏觀水平上合理設(shè)計和精確制造此類電極。 02 納米空間限域策略 尺寸均勻、結(jié)構(gòu)明確的金屬團(tuán)簇和納米顆粒不僅具有高的比表面積和豐富的催化位點，而且可以提供可裁剪的特定表面活性位點。具有特定納米級尺寸限域空間的0維納米孔道、1維納米通道、2維層間空間和3維互連納米通道等使得在納米水平上精準(zhǔn)合成形貌和結(jié)構(gòu)可控的納米團(tuán)簇和納米顆粒成為可能，為研究反應(yīng)物/中間體的在特定結(jié)構(gòu)位點上的吸附、活化和轉(zhuǎn)化及其對催化性能的影響規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。 03 化學(xué)鍵合原子尺度限域策略 通過化學(xué)鍵合輔助的原子尺度限域策略，可以合成結(jié)構(gòu)明確的單原子催化劑（SACs），并能在原子水平上精確調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)環(huán)境，為在分子/原子水平上深入理解催化活性中心與其電催化性能間構(gòu)效規(guī)律提供了可能。 04 多尺度集成限域策略 通過集成上述從宏觀至微觀不同尺度上的限域策略，有望實現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)精確的宏觀尺寸高效催化劑電極/體系的可控制備，也為宏量合成結(jié)構(gòu)明確的高密度單原子催化劑提供了可能。 05 基于這些認(rèn)識，作者展望了從宏觀到原子水平精確合成下一代結(jié)構(gòu)明確的電催化劑仍面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決方案（圖2），通過探索合適的限域策略并結(jié)合相應(yīng)技術(shù)，有望填補目前基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用之間的鴻溝。 圖2 下一代結(jié)構(gòu)明確的高效電催化劑的挑戰(zhàn)與展望 Confinement Strategies for Precise Synthesis of Efficient Electrocatalysts from the Macroscopic to the Atomic Level Lu-Pan Yuan, Tang Tang, Jin-Song Hu,* Li-Jun Wan* 原文鏈接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.1c00135
