综述：溶胶-凝胶法制备功能性金属/掺杂碳材料及其在催化领域的应用

本综述系统探讨了通过溶胶-凝胶法设计金属/掺杂碳材料（Metal/doped-carbon materials）的策略及其催化应用，重点揭示了金属相形成与金属氧化物标准电极电位（SEP）的独特关联性，为预测材料中金属/合金种类提供了新视角，对催化领域（如氢化还原、高级氧化反应（AOR）及Cr(VI)还原）的材料设计具有重要指导意义。

　　

Abstract

金属/掺杂碳材料在氢化还原反应、高级氧化反应（AOR）以及水分解反应中展现出卓越的催化性能。溶胶-凝胶法传统上用于制备氧化物材料，近几十年来通过惰性或还原气氛下加热前驱体，该方法被拓展至金属/掺杂碳材料的合成。本文综述了溶胶-凝胶法在金属/掺杂碳材料设计与应用中的最新进展，包括通过功能有机配体选择构建溶胶体系、材料形成原理及其在氢化还原、AOR和Cr(VI)还原反应中的催化表现。研究表明，材料中金属相的形成与金属氧化物的标准电极电位（SEP）密切相关，这与传统金属离子的SEP存在显著差异。基于金属氧化物的SEP可预测金属（合金）/掺杂碳材料中金属及合金的种类，该综述为理解此类材料的设计原理与催化性能提供了重要参考。

材料设计原理

溶胶-凝胶法的核心在于通过功能有机配体（如含羧基或氨基的分子）与金属离子的配位作用形成稳定溶胶体系，后续经凝胶化、干燥及热处理（通常在惰性气氛或还原条件下）获得目标材料。热处理过程中，有机组分碳化形成掺杂碳基质（如氮掺杂碳），而金属物种则被还原为金属纳米颗粒或合金，分散于碳骨架中。关键发现指出，金属氧化物而非金属离子的标准电极电位（SEP）决定了还原过程中金属相的形成能力：SEP值较高的金属氧化物（如CuO、Co₃O₄）更易被还原为金属态，而低SEP氧化物（如MoO₃）则倾向于保持氧化状态或形成碳化物。这一原理为理性设计特定金属组成的催化材料提供了理论依据。

催化应用性能

金属/掺杂碳材料在多项催化反应中表现突出：

1. 1.

   氢化还原反应：材料中的金属纳米颗粒（如Pd、Pt）与掺杂碳基质协同促进不饱和键（如C=O、C=C）的加氢过程，碳载体不仅稳定金属颗粒，还通过电子效应调节其催化活性；

2. 2.

   高级氧化反应（AOR）：基于碳基质中掺杂元素（如N、S）引发的自由基路径（如·OH、SO₄^•?），材料可高效降解有机污染物，金属组分（如Fe、Mn）进一步加速氧化循环；

3. 3.

   Cr(VI)还原：碳骨架的导电性及表面官能团（如-OH、-COOH）促进电子转移，将毒性Cr(VI)还原为低毒Cr(III)，金属颗粒（如Ni、Cu）增强反应动力学；

4. 4.

   水分解反应：合金/碳复合材料（如CoMo@NC）在析氢反应（HER）和析氧反应（OER）中展现高稳定性与低过电位，归因于碳层保护金属活性位点并优化中间体吸附能。

结论与展望

溶胶-凝胶法为构建金属/掺杂碳材料提供了灵活且可扩展的合成平台，其性能优势源于金属-碳界面的强协同效应。通过金属氧化物SEP预测材料组成的设计策略，显著提升了材料开发的针对性。未来研究需深入探索微观结构（如孔隙、掺杂类型）对催化机制的影响，并拓展材料在能源转换与环境修复中的实际应用场景。