CAJ | 학술논문

电催化已发展为一种涉及电化学、表面科学、材料科学和催化科学等众多科学分支的交叉学科和综合技术，在工农业生产、经济和国防建设、能源开发和环境保护等方面发挥了不可或缺的作用。金属纳米催化剂的可控合成和创新构建，极大地推动了电催化的广泛应用和巨大进展。过渡金属尤其是贵金属Pt、Pd等电催化剂，在电催化中表现出良好的选择性、活性和稳定性，很难完全被其他材料所取代。制约电催化可持续发展的瓶颈问题是，如何设计、合成和构建高性能低成本的金属纳米催化剂。为实现这一目标，人们付出了大量的努力并取得了一些可喜的进展。电催化是发生在电解质与电极材料表面和界面的异相催化反应，金属纳米电催化剂的性能与其形貌、结构、尺寸和组成相关。本文着力总结和探讨如何从表面工程和界面工程角度设计、合成和构筑金属纳米结构及其复合结构，以实现金属电催化剂性能和成本的双优化。本文提出了在金属纳米结构及其复合结构的设计、合成和构筑过程中需要考虑的几个重要的表面和界面因素，即表面面积、表面晶面、活性位点和界面结构等。首先，有效表面面积越大，越有利于电催化反应。我们总结了增大催化剂有效活性面积的四种有效方法，包括减小颗粒尺寸、制成薄层二维纳米结构、增大粗糙度、形成中空、多孔或介孔及框架结构等。其次，表面晶面也可决定电催化的性能。我们简单总结了低指数晶面和高指数晶面在表面能、晶面形成和催化活性上的“挑战与机遇”矛盾关系，并简要阐述了晶面选择性即晶面效应以及晶面与尺寸的依赖关系。再次，活性位点一般指的是低配位表面原子位点，是电催化反应的决定因素之一。我们描述了活性位点与表面和界面结构特征、纳米晶表面晶面、表面缺陷和空穴、表面面积和粒子尺寸等的依赖关系。最后，界面结构工程是调控电催化性能的最丰稔因素。我们简述了界面结构的形成、分类及其对优化界面活性位点的成分和几何结构、表面悬键和原子配位数、电子结构与电子传递、质子传输和物种交换等方面调控作用，并在界面工程的基础上推介了贵金属基复合结构的合成、组装的几种典型方式。本文以具体示例的形式，分别从表面工程和界面工程的角度，扼要介绍了本课题组最近在甲酸氧化、氧还原、析氢等电催化反应体系中贵金属基纳米结构及其复合纳米结构电催化剂的设计、合成与构筑的具体做法。我们分别介绍了低指数晶面和高指数晶面的表面设计对于提高催化剂性能的关键作用。对于低指数晶面，我们重点介绍了如何获得相似尺寸的不同表面晶面以研究其晶面效应，如何维持相同晶面调节尺寸以研究其尺寸效应，如何建造与电极有良好电学接触的低指数晶面纳米结构，以利于提升其电催化性能。对于高指数晶面，介绍了几种形成高指数晶面的途径，并阐明了其晶面对电催化性能的影响。另一方面，我们从金属纳米结构及其复合结构的成分和结构调控策略介绍了界面构建对于提升电催化性能的奇妙作用，包括建造多金属纳米结构、与二维材料负载组装和利用界面极化。由此，本文总结了表面和界面工程对于电催化剂设计、合成和构筑目前面临的三个关键挑战。電催化已髮展為一種涉及電化學、錶麵科學、材料科學和催化科學等衆多科學分支的交扠學科和綜閤技術，在工農業生產、經濟和國防建設、能源開髮和環境保護等方麵髮揮瞭不可或缺的作用。金屬納米催化劑的可控閤成和創新構建，極大地推動瞭電催化的廣汎應用和巨大進展。過渡金屬尤其是貴金屬Pt、Pd等電催化劑，在電催化中錶現齣良好的選擇性、活性和穩定性，很難完全被其他材料所取代。製約電催化可持續髮展的瓶頸問題是，如何設計、閤成和構建高性能低成本的金屬納米催化劑。為實現這一目標，人們付齣瞭大量的努力併取得瞭一些可喜的進展。電催化是髮生在電解質與電極材料錶麵和界麵的異相催化反應，金屬納米電催化劑的性能與其形貌、結構、呎吋和組成相關。本文著力總結和探討如何從錶麵工程和界麵工程角度設計、閤成和構築金屬納米結構及其複閤結構，以實現金屬電催化劑性能和成本的雙優化。本文提齣瞭在金屬納米結構及其複閤結構的設計、閤成和構築過程中需要攷慮的幾箇重要的錶麵和界麵因素，即錶麵麵積、錶麵晶麵、活性位點和界麵結構等。首先，有效錶麵麵積越大，越有利于電催化反應。我們總結瞭增大催化劑有效活性麵積的四種有效方法，包括減小顆粒呎吋、製成薄層二維納米結構、增大粗糙度、形成中空、多孔或介孔及框架結構等。其次，錶麵晶麵也可決定電催化的性能。我們簡單總結瞭低指數晶麵和高指數晶麵在錶麵能、晶麵形成和催化活性上的“挑戰與機遇”矛盾關繫，併簡要闡述瞭晶麵選擇性即晶麵效應以及晶麵與呎吋的依賴關繫。再次，活性位點一般指的是低配位錶麵原子位點，是電催化反應的決定因素之一。我們描述瞭活性位點與錶麵和界麵結構特徵、納米晶錶麵晶麵、錶麵缺陷和空穴、錶麵麵積和粒子呎吋等的依賴關繫。最後，界麵結構工程是調控電催化性能的最豐稔因素。我們簡述瞭界麵結構的形成、分類及其對優化界麵活性位點的成分和幾何結構、錶麵懸鍵和原子配位數、電子結構與電子傳遞、質子傳輸和物種交換等方麵調控作用，併在界麵工程的基礎上推介瞭貴金屬基複閤結構的閤成、組裝的幾種典型方式。本文以具體示例的形式，分彆從錶麵工程和界麵工程的角度，扼要介紹瞭本課題組最近在甲痠氧化、氧還原、析氫等電催化反應體繫中貴金屬基納米結構及其複閤納米結構電催化劑的設計、閤成與構築的具體做法。我們分彆介紹瞭低指數晶麵和高指數晶麵的錶麵設計對于提高催化劑性能的關鍵作用。對于低指數晶麵，我們重點介紹瞭如何穫得相似呎吋的不同錶麵晶麵以研究其晶麵效應，如何維持相同晶麵調節呎吋以研究其呎吋效應，如何建造與電極有良好電學接觸的低指數晶麵納米結構，以利于提升其電催化性能。對于高指數晶麵，介紹瞭幾種形成高指數晶麵的途徑，併闡明瞭其晶麵對電催化性能的影響。另一方麵，我們從金屬納米結構及其複閤結構的成分和結構調控策略介紹瞭界麵構建對于提升電催化性能的奇妙作用，包括建造多金屬納米結構、與二維材料負載組裝和利用界麵極化。由此，本文總結瞭錶麵和界麵工程對于電催化劑設計、閤成和構築目前麵臨的三箇關鍵挑戰。
전최화이발전위일충섭급전화학、표면과학、재료과학화최화과학등음다과학분지적교차학과화종합기술，재공농업생산、경제화국방건설、능원개발화배경보호등방면발휘료불가혹결적작용。금속납미최화제적가공합성화창신구건，겁대지추동료전최화적엄범응용화거대진전。과도금속우기시귀금속Pt、Pd등전최화제，재전최화중표현출량호적선택성、활성화은정성，흔난완전피기타재료소취대。제약전최화가지속발전적병경문제시，여하설계、합성화구건고성능저성본적금속납미최화제。위실현저일목표，인문부출료대량적노력병취득료일사가희적진전。전최화시발생재전해질여전겁재료표면화계면적이상최화반응，금속납미전최화제적성능여기형모、결구、척촌화조성상관。본문착력총결화탐토여하종표면공정화계면공정각도설계、합성화구축금속납미결구급기복합결구，이실현금속전최화제성능화성본적쌍우화。본문제출료재금속납미결구급기복합결구적설계、합성화구축과정중수요고필적궤개중요적표면화계면인소，즉표면면적、표면정면、활성위점화계면결구등。수선，유효표면면적월대，월유리우전최화반응。아문총결료증대최화제유효활성면적적사충유효방법，포괄감소과립척촌、제성박층이유납미결구、증대조조도、형성중공、다공혹개공급광가결구등。기차，표면정면야가결정전최화적성능。아문간단총결료저지수정면화고지수정면재표면능、정면형성화최화활성상적“도전여궤우”모순관계，병간요천술료정면선택성즉정면효응이급정면여척촌적의뢰관계。재차，활성위점일반지적시저배위표면원자위점，시전최화반응적결정인소지일。아문묘술료활성위점여표면화계면결구특정、납미정표면정면、표면결함화공혈、표면면적화입자척촌등적의뢰관계。최후，계면결구공정시조공전최화성능적최봉임인소。아문간술료계면결구적형성、분류급기대우화계면활성위점적성분화궤하결구、표면현건화원자배위수、전자결구여전자전체、질자전수화물충교환등방면조공작용，병재계면공정적기출상추개료귀금속기복합결구적합성、조장적궤충전형방식。본문이구체시례적형식，분별종표면공정화계면공정적각도，액요개소료본과제조최근재갑산양화、양환원、석경등전최화반응체계중귀금속기납미결구급기복합납미결구전최화제적설계、합성여구축적구체주법。아문분별개소료저지수정면화고지수정면적표면설계대우제고최화제성능적관건작용。대우저지수정면，아문중점개소료여하획득상사척촌적불동표면정면이연구기정면효응，여하유지상동정면조절척촌이연구기척촌효응，여하건조여전겁유량호전학접촉적저지수정면납미결구，이리우제승기전최화성능。대우고지수정면，개소료궤충형성고지수정면적도경，병천명료기정면대전최화성능적영향。령일방면，아문종금속납미결구급기복합결구적성분화결구조공책략개소료계면구건대우제승전최화성능적기묘작용，포괄건조다금속납미결구、여이유재료부재조장화이용계면겁화。유차，본문총결료표면화계면공정대우전최화제설계、합성화구축목전면림적삼개관건도전。
Electrocatalysis has attracted extensive attention for its promise in converting chemical energy of fuels and oxidants into electrical energy. In this review, we use our recent progress in electrocataly-sis as examples to demonstrate how to rationally design and fabricate noble metal-based nanostructures. This information will enable the optimization of nanocatalysts, in terms of both cost and performance, from the viewpoint of surface and interface engineering. We first outline the key features related to surface and interface that may significantly impact on electrocatalytic perfor-mance. We then summarize various approaches to surface and interface modulations by highlight-ing materials synthesis, design and electrocatalytic performance for specific cases. Finally, we pro-pose the challenges and opportunities to perform materials design for electrocatalysis from the aspect of surface and interface engineering.