面向清洁能源转化的二维电催化界面电子态工程

《Materials Today Chemistry》：Electronic-state engineering of two-dimensional electrocatalytic interfaces for clean-energy conversion

　　

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  电子态工程实现了可调二维电催化剂。
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  强调了超越传统结构优化的电子描述符。
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  静态和动态调谐调控电催化界面化学。
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  将电子结构与界面过程和催化反应联系起来。

章节摘要

引言：从结构优势到电子可调界面

电催化反应发生在带电固-液界面上，其中催化活性和选择性由催化剂表面、电解质环境和界面电荷转移过程之间的相互作用决定[[1], [2], [3], [4], [5]]。除了反应物和活性位点的固有性质外，电化学反应路径还强烈受界面电子转移、双电层(EDL)结构、局部电场和质子耦合的影响。

超越几何优势的二维电极电子特性

本节聚焦于二维电极的固有电子特性，这些特性为其电子可调电化学行为提供了基础。特别关注了有限且能量依赖的态密度(DOS)、费米能级调制、量子电容、空间局域电子态、层间耦合和莫尔电子结构。这些特性描述了电子态在二维材料中的分布、填充和重构方式。

二维电催化剂电子态工程策略

不同系列的二维材料为电子态工程提供了不同的机遇。石墨烯和扭曲石墨烯在研究态密度、量子电容、费米能级调制和莫尔电子结构方面尤为有用，而过渡金属硫族化合物(TMDs)则展示了相、边缘、缺陷、应变和厚度依赖的电子调控。MXenes突出了表面终止和功函数的作用，而层状双氢氧化物/氧化物纳米片和g-C₃N₄、黑磷等半导体材料

电子态工程实现的界面调控机制

第2节中介绍的电学性质可通过调控电极-电解质界面来影响电化学反应。态密度、费米能级位置、量子电容、局域电子态和界面耦合的变化可改变电子转移能学、电势分配、双电层组织、局部电场以及与吸附中间体的相互作用。这些界面变化可进一步影响电子转移

清洁能源转化的代表性电催化和光电催化应用

上述界面机制建立了二维材料中电子态工程与电催化行为之间的联系。本节讨论代表性的清洁能源反应，以说明可调电子结构如何调控特定的界面步骤，而非简单地改善整体催化活性。表3总结了电子参数、调控策略与相应界面效应之间的关系。HER、CO₂RR,

设计原则、挑战与展望

前述各节表明，电子态工程提供了一套通过可调态密度、费米能级位置、量子电容、局域态、层间耦合和动态载流子调制来调控二维电催化界面的框架。下一个挑战是将这些概念转化为实际的设计原则。未来的策略不应仅仅追求最大化表面积、导电性或缺陷密度，而应着重于设计具有

总结

二维电催化剂的发展正在从传统表面结构和活性位点优化转向电极电子态的理性调控。其独特的电子特性，包括有限态密度、量子电容、局域态、层间耦合和载流子密度的动态调控，为界面电子转移、电势分布、中间体吸附和反应路径提供了额外的控制手段。电子态

CRediT作者贡献声明

张鑫：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、调查研究。王晨曦：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、调查研究。曹阳：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文报道工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（编号：2022YFA1505200）、国家自然科学基金（编号：22572164）、福建省自然科学基金（编号：2026J00005）和厦门市自然科学基金（编号：3502Z202573025）的支持。

张鑫|王晨曦|曹阳