有機(jī)界面工程因其可精準(zhǔn)調(diào)控電極表面并提升電催化性能而受到日益關(guān)注，但是對其深層機(jī)制的全面理解仍顯不足。
2025年9月22日，陜西師范大學(xué)陳煜在國際知名期刊Chemical Society Reviews發(fā)表題為《Organic interface enhanced electrocatalysis》的研究綜述，Qing-Ling Hong為論文第一作者，陳煜為論文通訊作者。
在本文中，作者系統(tǒng)梳理了有機(jī)界面在電催化中的設(shè)計(jì)策略與功能角色，將其歸納為三大典型類型：（?。┬》肿庸δ芑砻?、（ⅱ）聚合物修飾電極與（ⅲ）自組裝單分子膜（SAMs）。
作者還詳述了各類制備方法，并剖析有機(jī)組分與電極材料間的多種相互作用機(jī)制，包括共價(jià)鍵合、配位效應(yīng)及范德華力等。進(jìn)一步聚焦有機(jī)界面如何通過調(diào)控局域原子排布、裁剪電子結(jié)構(gòu)和構(gòu)建有利的反應(yīng)微環(huán)境來實(shí)現(xiàn)催化增強(qiáng)，從而為優(yōu)化催化活性、選擇性和運(yùn)行穩(wěn)定性提供新思路。
最后，作者總結(jié)了面向?qū)嶋H能量轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用時(shí)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與未來展望，旨在彌合現(xiàn)有知識缺口，為基于分子層面界面工程的高性能電催化劑理性開發(fā)提供概念與方法指導(dǎo)。
圖1：有機(jī)界面層的形成機(jī)制與結(jié)構(gòu)特征示意。展示了有機(jī)小分子、聚合物與自組裝單分子膜（SAM）三類界面在電極上的構(gòu)建方式及結(jié)構(gòu)差異，為后文分類討論奠定框架。
圖2：聚合物材料表面功能化示意圖。(a) Vulcan/PBI復(fù)合材料設(shè)計(jì)策略：PBI包覆提升碳黑在酸性電位循環(huán)中的抗氧化穩(wěn)定性。(b) Pt/C@PANI催化劑結(jié)構(gòu)配置：PANI外殼保護(hù)Pt活性位點(diǎn)，提高ORR活性與耐久性。(c) Pd/PANI/Pd SNTAs制備方案：PANI中間層增強(qiáng)甲酸氧化活性與抗毒化能力。(d) PtPd/PPy/PtPd TNTAs制備流程：PPy導(dǎo)電聚合物提升甲醇氧化性能。(e) PANI/CoP HNWs通過質(zhì)子捕獲和質(zhì)子化胺形成增強(qiáng)HER性能。(f) 不同類型H+的電荷分布。(g) 不同質(zhì)子傳遞路徑的自由能變化。(h) 各種催化劑上H吸附的自由能曲線。
圖3：表面活性劑調(diào)控金屬納米晶形貌。a-h）分別展示Pd、Au、Pt等納米晶在oleylamine、PAA、PEI等表面活性劑作用下形成一維納米線、三叉星、單分散顆粒等形貌，并關(guān)聯(lián)ORR/HER活性提升。
圖4：(a) PEI-CNT/GC電極制備示意圖：通過浸涂法在碳納米管/玻碳表面形成聚乙烯亞胺（PEI）層，實(shí)現(xiàn)Pt納米粒子的均勻錨定。(b) CDs/Pt-PANI制備示意圖：以碳點(diǎn)（CDs）為摻雜劑，通過電化學(xué)聚合在碳布表面先構(gòu)筑PANI薄膜，再沉積Pt納米晶。(c) 硅基底上噴霧涂覆PANI薄膜的SEM圖像：展示快速成膜獲得的均勻多孔結(jié)構(gòu)。(d) CNTs表面原位生長Pt納米粒子示意圖：聚合物作為粘結(jié)劑/還原劑，實(shí)現(xiàn)Pt納米晶在碳納米管上的直接成核與長大。(e) 堿性溶液中浸涂形成聚多巴胺（PDA）薄膜示意圖：多巴胺自聚合生成多功能涂層，用于后續(xù)金屬錨定。(f) 在聚多巴胺包覆的多壁碳納米管（MWNTs）、碳納米角（CNs）和炭黑（CB）上固定Pt納米粒子的示意圖：PDA層同時(shí)充當(dāng)還原劑和交聯(lián)層，實(shí)現(xiàn)Pt納米晶的穩(wěn)定負(fù)載。
圖5：分子分散添加劑調(diào)控CO2RR。a）各類有機(jī)添加劑（氨基酸、咪唑、硫醇等）在電解液中動態(tài)吸附，調(diào)控*COOH/*HCOO中間體能量，實(shí)現(xiàn)CO/HCOOH選擇性切換。b,c）展示C1→C2+路徑躍遷需降低CO-CO二聚能壘，有機(jī)添加劑可穩(wěn)定二聚中間體。
綜上，作者系統(tǒng)總結(jié)了有機(jī)界面工程在電催化領(lǐng)域的三大技術(shù)路線，創(chuàng)新性地提出電子調(diào)控、微環(huán)境調(diào)控、分子識別、協(xié)同催化與界面保護(hù)五大協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制，顯著提升了催化劑的活性、選擇性與穩(wěn)定性。
研究證實(shí)，通過有機(jī)分子修飾可實(shí)現(xiàn)活化能大幅降低，調(diào)控局域微環(huán)境使CO2還原制乙烯、乙酸等化學(xué)品的選擇性提高數(shù)倍，并利用位阻-氫鍵網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)炔烴半氫化超高選擇性。同時(shí)，導(dǎo)電聚合物包覆有效抑制貴金屬燒結(jié)，在工業(yè)級電流密度下保持長期穩(wěn)定運(yùn)行。
該成果不僅填補(bǔ)了有機(jī)-無機(jī)界面催化理論的空白，構(gòu)建了界面作用圖譜，還建立了原位表征-理論計(jì)算-機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）融合的研究范式，為高通量篩選與反向設(shè)計(jì)提供了方法論支撐。
其應(yīng)用前景廣闊，可直接推動綠氫制備、燃料電池、金屬-空氣電池、CO2電還原制燃料和高值化學(xué)品等清潔能源技術(shù)的發(fā)展，并有望延伸至光催化、生物電化學(xué)及柔性電子器件等新興領(lǐng)域，對實(shí)現(xiàn)碳中和與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。
Organic interface enhanced electrocatalysis.Chemical Society Reviews,2025.https://doi.org/10.1039/D5CS00554J.
