PPT图解丨缺陷电催化剂的设计思路--Elsevier旗舰期刊综述.pptx

缺陷电催化剂的设计思路：从电子结构到吸附能Elsevier材料学旗舰期刊:Mater.Today综述

研究背景电催化剂具有降低反应活化能，提高反应速率和能效的作用。开发高效，低成本和高稳定性的电催化剂对于可再生能源系统至关重要。近年来，研究人员已经采用了许多策略来制备高效的电催化剂，包括控制晶面，合金化，杂原子掺杂，缺陷工程，界面工程等。人们还开发了一系列理论计算方法和相关的催化机理，可以有效地理解反应物与催化剂之间的相互作用，特别是模拟中间吸附过程。缺陷工程对电催化剂具有重要意义。几乎所有非均相催化剂中都存在缺陷，这些缺陷可能直接破坏材料的周期性晶体结构。已经制备出许多缺陷的电催化剂，包括贵金属，碳材料，过渡金属氧化物/氢氧化物和过渡金属二卤化碳。然而，缺陷的多样性和复杂性阻止了对缺陷催化的深入理解，目前仍有许多问题尚未回答。缺陷如何影响电催化活性？如何合理利用缺陷提高电催化活性？设计缺陷电催化剂应遵循哪些原则？在设计缺陷催化剂时，仍然需要更系统，更深入地了解缺陷与催化活性之间的关系。

成果简介近日，湖南大学的邹雨芹博士、王燕勇博士、陈如副教授、王双印教授，格里菲斯大学的姚向东教授，联合总结了关于缺陷电催化剂的必威体育精装版研究成果。同时展望了缺陷电催化剂的可控制备，原位表征方法以及催化机理的深入研究。图1、各种缺陷电催化剂的示意图，以及缺陷电催化剂设计中的重要因素，包括电子结构，中间体的吸附能和反应活性。

1、电催化剂的缺陷工程1.1、缺陷催化剂的种类和合成方法在材料科学中，缺陷意味着晶体中周期性结构的变形。根据缺陷在晶体中的位置，可以将缺陷分为体缺陷和表面缺陷。由于电催化作用发生在催化剂的表面/界面上，因此表面缺陷对于催化作用更为重要。此外，表面缺陷可分为点缺陷，线缺陷和平面缺陷。根据缺陷的位置和结构，可以将点缺陷分为空位缺陷，杂原子缺陷和间隙缺陷。对于材料，可以根据缺陷的来源将缺陷分为固有缺陷和掺杂缺陷。迄今为止，已经在各种材料和领域中发明了许多用于缺陷电子催化剂的合成方法，例如受控生长，蚀刻，掺杂，脱合金，模板合成，减小尺寸和离子嵌入。特别地，蚀刻是一种广泛使用的方法，包括酸蚀刻，碱性蚀刻，还原蚀刻，等离子体蚀刻，激光蚀刻和高能等离子体，以撞击材料的表面原子，可以广泛地用于制备各种缺陷电催化剂。

1、电催化剂的缺陷工程1.2、缺陷的表征(a)WAXS（同步加速器广角X射线散射）------表征晶体结构(b)XPS（X射线光电子能谱）------表征表面化学和电子信息(c)Ramanspectroscopy（拉曼光谱）------表征表面缺陷度(d)ACTEM（像差校正透射电子显微镜）------观察表面原子缺陷(e)EPR（电子顺磁共振光谱）------表征材料的未配对电子(f)XAS（X射线吸收光谱）------表征缺陷形成(g)正电子寿命光谱------表征缺陷类型和浓度信息图2、各种常用表征方法结果图示

1、电催化剂的缺陷工程几十年前，早期研究已经证明了缺陷对结晶固体（例如半导体和非均相催化剂）的化学和电子性质的重要作用。随着实验和理论中电催化技术的发展，调节电催化剂的表面/界面化学特别是表面电子结构成为电催化剂设计的关键问题。同时，以催化剂中的一系列缺陷为模型，研究了缺陷与催化之间的关系，发现缺陷与表面电子结构紧密相连。另一方面，应研究涉及多个吸附种类和一个以上反应步骤的反应路径的吸附能，因为它们与反应速率直接相关。建立缺陷与电催化之间的联系从调节表面电子结构到中间体的吸附能和反应途径的变化具有重要意义。1.3、缺陷与电催化之间的关系：从电子结构到吸附能

2、金属和碳基电催化剂的固有缺陷表面台阶和晶界在电催化剂中的作用平台上的表面台阶是金属电催化剂中必不可少的一种表面缺陷，它会影响与表面电子结构紧密相连的表面原子配位状态。有关表面缺陷分子的特定位反应性的报告表明，分子对表面缺陷的电催化反应是深入机理研究的重要研究模型。2.1、金属基催化剂的内在缺陷图3、有关有缺陷的金属纳米晶体在电催化应用中的合成研究

2.1、金属基催化剂的内在缺陷合金电催化剂的无序结构和脱合金金属合金，特别是贵金属合金，由于其高稳定性和独特的电子结构而成为典型的电催化剂，其通过具有不同原子和电子特性的不同金属元素之间的相互作用进行调节。为了获得更坚固的催化剂，脱合金是一种常见且可利用的策略，即预先蚀刻合金中的不稳定过渡金属原子。此外，脱合金还可以使更多的活性位点暴露