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本文聚焦电化学界面，探讨表面结构、表面电子态在能量收集存储、传感器开发中的作用，涉及二维材料（2D 材料）、单原子催化（SAC）、双原子催化（DAC），还介绍相关表征技术，为相关领域研究提供参考。
引言
电化学相关的反应、过程和方法，在应对环境危机方面前景广阔。科研人员深入研究了各类材料在催化、能量收集与存储、传感以及生物医学等领域的应用。材料的表面结构及其固液界面，决定了它们在上述领域的适用性，比如在能量收集存储中，或是作为传感电极时的表现。除了结构，晶体的晶面、表面形貌和表面电子态也影响着界面的电荷传输。
以光电化学（PEC）水分解制氢为例，电荷的平均寿命和平均扩散长度对反应效率至关重要。通过调整材料的形貌和表面状态，可以减少电荷复合，增加电荷载流子的扩散长度。而且，经过设计的表面形貌能增大有效表面积，增加表面催化位点数量，加快界面电荷转移，减少电荷载流子捕获的表面态，这在 PEC、电催化、能量存储和传感应用中都十分关键。
这篇综述主要讨论了表面结构变化对催化效率的影响，还涉及二维材料（2D 材料）、单原子催化（SAC）和双原子催化（DAC）中的表面态，同时介绍了与电化学和电催化应用相关的表面及表面电子态的表征方法。由于内容涵盖多种催化体系的表面态，例子可能来自不同的催化活动，逻辑看似分散，但核心都围绕特定的表面结构和表面电子态。文章结尾还专门阐述了表面电子态在 PEC 水分解中的作用。
2D 材料
调节材料的表面电子态以及相应的结构化电极 - 电解质界面，能够提升催化性能。2D 材料展现出了一定的潜力，不过目前其性能仍无法与贵金属催化剂相媲美。制备具有定向电场的 2D 材料，进一步激发了其催化效率。定向外部电场（OEFs）可以增强析氧反应（OER）的性能。
表面态在 SAC 中
在单原子催化（SAC）体系里，单个原子分散在基底材料上。首个被确认的 SAC 实例，是铂单原子分散在氧化铁表面。SAC 有两大显著优势：一是分析物在催化表面的结合可能性最小，因此具有出色的选择性；二是能够将 SAC 的电子态调整到适合特定催化反应的状态。目前，科研人员正在探索 SAC，以解决原子聚集的问题。
表面态在 DAC 中
双原子催化（DAC）体系为分析物提供了更好的配位位点，使两个原子之间能够形成配位。在析氧反应（OER）中，双原子催化剂对氧的吸附能力比 SAC 体系强很多。金属 - 金属桥位点更适合与氧形成强键。DAC 的表面态为催化反应创造了更好的电子环境，然而，探测 DAC 的表面态难度较大。
表面的表征
单原子和双原子的表面及结构十分复杂，需要特定的表征技术。像 X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外 - 可见光谱（UV - Vis）、X 射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等常规技术，在评估材料的形貌和结构方面发挥着重要作用。此外，还需要评估催化材料的表面态和反应性。
使用 SECM 评估界面
现代电化学技术不断发展，能够实时评估电化学动力学，其中包括原位和操作条件下的测量方法。扫描探针显微镜技术不仅可以获取界面信息，还能在操作条件下进行测量。经过改进，一些衍生技术如扫描电化学显微镜（SECM）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描电化学池显微镜等应运而生。
表面电子态在 PEC 催化中
在 PEC 水分解过程中，表面电子态对调节电荷转移和复合过程、减轻光腐蚀起着关键作用。比如，通过使用 In2O3纳米颗粒对赤铁矿光阳极进行钝化处理，Fe2O3的光电流密度得到了提高，同时应用偏压光子 - 电流效率（ABPE）这一效率参数也有所变化。
结论
研究表明，改善材料的表面性质能够提升其在相应应用中的性能。文章总结了增强表面性质的方法，其中原子层沉积（ALD）在实现单原子级别的表面改性方面极具潜力。文章还介绍了 SAC 和 DAC，以及基于扫描探针的表征技术。表面态的不对称性产生的定向电场也在研究中有所涉及。
