限域策略——从宏观到原子水平精确合成高效电催化剂

精确控制电催化剂的结构和形貌有助于深入探究催化剂的构效规律并提高其对各种重要反应的电催化性能，如氧还原/析氧反应（ORR/OER）、氢氧化/析氢反应（HOR/HER）、CO2还原/氮还原反应（CO2RR/NRR）等。利用物理和化学限域策略可以实现电催化剂从宏观到原子水平上的精确合成及对其催化特性的调控，从而满足特定的应用需求。

近日，中科院化学研究所万立骏院士/胡劲松研究员等总结了近年来利用限域合成策略精确控制电催化剂的结构、形貌及其电催化特性的研究进展。文中依据限域合成的尺度，将限域效应分为前驱体自限域效应、纳米空间限域效应和化学键合原子尺度限域效应，结合该团队的代表性研究，系统介绍了从宏观水平、纳米水平到原子水平精确制备具有明确结构的高效电催化剂的限域合成策略（图1）。

图1 宏观至原子水平限域策略精确合成高效电催化剂的示意图

本文要点

01

前驱体自限域策略

宏观尺度具有分级微/纳米阵列结构的一体化电极具有较大的表面积和多级微纳复合结构优势，不仅可以暴露高密度有效电催化位点，而且可以同时实现高效电荷传输和物质输运，因此在很多涉及气液固三相界面的电催化能源器件中表现优异。通过预合成具有这种结构的前驱体电极基底，进而通过前体自限域转化/生长高效催化剂，可以在宏观水平上合理设计和精确制造此类电极。

02

纳米空间限域策略

尺寸均匀、结构明确的金属团簇和纳米颗粒不仅具有高的比表面积和丰富的催化位点，而且可以提供可裁剪的特定表面活性位点。具有特定纳米级尺寸限域空间的0维纳米孔道、1维纳米通道、2维层间空间和3维互连纳米通道等使得在纳米水平上精准合成形貌和结构可控的纳米团簇和纳米颗粒成为可能，为研究反应物/中间体的在特定结构位点上的吸附、活化和转化及其对催化性能的影响规律奠定了基础。

03

化学键合原子尺度限域策略

通过化学键合辅助的原子尺度限域策略，可以合成结构明确的单原子催化剂（SACs），并能在原子水平上精确调控其电子结构和化学环境，为在分子/原子水平上深入理解催化活性中心与其电催化性能间构效规律提供了可能。

04

多尺度集成限域策略

通过集成上述从宏观至微观不同尺度上的限域策略，有望实现原子结构精确的宏观尺寸高效催化剂电极/体系的可控制备，也为宏量合成结构明确的高密度单原子催化剂提供了可能。

05

基于这些认识，作者展望了从宏观到原子水平精确合成下一代结构明确的电催化剂仍面临的挑战和可能的解决方案（图2），通过探索合适的限域策略并结合相应技术，有望填补目前基础研究和工业应用之间的鸿沟。

图2 下一代结构明确的高效电催化剂的挑战与展望

来源：研之成理