《Coordination Chemistry Reviews》：Design of electrocatalysts driven by built-in electric fields: Mechanistic insights and strategic approaches
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内置电场（BIEF）是一种具有性能优势的调控方法。
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总结了BIEF的基本概念和形成机制
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内置电场（BIEF）是一种具有性能优势的调控方法。
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总结了BIEF的基本概念和形成机制。
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本文介绍了BIEF的基本原理及其在关键电催化反应中的应用。
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BIEF可以调节反应路径、电子转移和界面水分子，为催化剂优化提供理论基础。
引言
化石燃料的快速消耗导致了资源短缺和环境污染，使能源危机成为阻碍全球发展的关键挑战[1][2][3][4][5]。在这种背景下，加速能源转型进程和深入实施“双碳”目标变得越来越紧迫。电催化作为一种将可再生能源与绿色化学合成联系起来的关键手段，受到了广泛关注[6][7][8][9]。一系列重要的电化学反应，如氢气演化反应（HER）、氮气还原反应（NRR）、硝酸盐还原反应（NO3-RR）、氧气还原反应（ORR）、氧气演化反应（OER）和醇类氧化反应（AOR）等，在氢能生产、氮循环、燃料电池和电化学有机合成领域具有巨大前景，构成了未来绿色能源系统的核心基础[10][11][12][13][14][15]。然而，这些反应通常面临诸如气液固三相界面处的质量传输限制以及多步电子转移的高能量障碍等问题，导致反应动力学缓慢、选择性低和稳定性不足，严重限制了其大规模应用[16][17][18][19]。从反应机制的角度来看，电催化反应通常发生在电极-电解质界面，电子必须从基底和催化剂转移到活性位点，同时反应物分子和离子通过电解质迁移以完成吸附、激活和转化[12][20][21][22][23]。界面处的电荷分布和局部电位梯度对这些过程有显著影响，特别是在纳米尺度上，不均匀的电场可以调节反应物的吸附配置和电子转移路径，从而影响反应动力学和选择性[24][25]。此外，电催化反应涉及多步电子转移和键的断裂与形成过程，因此加速电子转移速率是实现高效电催化的关键问题之一[26][27][28][29][30]。为了克服这些挑战，需要在原子和界面尺度上进行材料设计和功能调控的创新突破。近年来，随着我们对电极界面物理化学性质理解的不断深入，内置电场（BIEF）因其在调节电化学系统界面能量和电荷转移过程中的独特优势而受到了科学界的广泛关注[31][32][33][34][35]。
BIEF是由单一组分材料或异质结构界面处的电荷分布不均匀产生的，最初应用于半导体和光电子研究。如今，它们可以通过在界面诱导电荷重分布并优化活性位点和中间体的结合强度，显著影响异质结构催化剂的电催化性能[34][36][37][38]。一方面，BIEF可以极化反应物分子，改变反应路径和吸附配置，从而降低关键反应步骤的能量障碍并提高反应选择性[39][40][41][42]；另一方面，它们可以调节催化剂表面的电荷分布，增强电子或空穴的方向迁移，从而减少多步电子转移过程中的动力学阻力[43][44][45]。此外，在水溶液中，BIEF可以重构界面水分子和氢键网络，促进水分子活化或质子迁移[46][47][48]。最后，在三相界面，BIEF可以帮助提高界面稳定性，增强金属与载体的相互作用，并减少催化剂在长时间运行过程中的溶解或脱落[49][50]。这些优势已在尖端的电催化研究中被验证。例如，Lu等人通过在单层二硫化钼中构建反位缺陷诱导了原子级别的极化电场，从而促进了氢吸附并显著降低了HER过电位[51]；Li等人用钼掺杂了镍/钨氧化物异质结，增强了BIEF以加速界面电荷转移，同时优化了氢演化反应和氧气演化反应中中间体的吸附能量障碍，实现了高效的整体水解[52]；Chen等人利用FeOOH和CoOOH之间的功函数差异在空心异质界面形成了BIEF，不仅增强了乙烯和*OH的吸附，还加速了惰性C
C键的断裂，促进了其高效转化为甲酸，为塑料废物的资源化利用提供了新途径[53]。这些协同效应表明，BIEF为提高电催化活性和选择性提供了有前景的方法。尽管BIEF在提升电催化性能方面展现出了巨大潜力，但其增强催化性能的基本机制仍不够清晰且缺乏系统性的总结，这限制了BIEF引导的催化剂的精确设计和广泛应用。
本文系统地回顾和总结了BIEF在电催化领域的研究进展，为未来电催化研究中的进一步应用提供了指导。首先，我们介绍了BIEF的基本概念、形成机制和表征方法，重点关注其与能带结构、电荷分布和界面几何特征的内在关系。接下来，我们总结了通过掺杂工程、缺陷控制和应变工程构建和调节BIEF的策略。然后，我们分析了BIEF在电催化系统中的关键作用，如HER、NRR、NO3-RR、ORR、OER和AOR等反应中调节反应路径、降低能量障碍、加速电子转移、促进反应动力学、重构界面水分子配置以及增强金属-载体相互作用的能力。最后，我们讨论了在使用BIEF设计和开发催化剂时面临的挑战和发展机遇，旨在为未来高效催化剂的设计提供有价值的理论见解和实践策略（见图1）[54][55][56][57][58][59][60][61]。
章节摘要
BIEF的定义和物理性质
BIEF是指在没有外加偏压的情况下，由于材料内部或界面处的电荷重新分布和电位不连续性而产生的稳定电位梯度。其本质源于系统中的费米能级不匹配、电荷载流子扩散和界面极化效应，最终在界面形成空间电荷层，并伴随显著的能带弯曲[62][63][64][65]。
调节BIEF的方法
作为驱动定向电荷迁移和控制反应选择性的关键因素，BIEF的强度、分布和稳定性在很大程度上决定了材料的性能。然而，材料中自然存在的BIEF往往受到其内在结构的限制，难以满足复杂反应系统的需求。因此，广泛使用掺杂、缺陷、应力和界面工程等多维策略来构建和
改变反应路径和降低能量障碍
作为异质界面处常见的内在电场，BIEF通过精确控制电荷分布、界面电子转移和反应物吸附配置，成为了改变反应路径和降低能量障碍的关键调控因素。这一能力为设计和优化高效电催化系统提供了核心思路[86][87][88][89]。Chen等人通过构建Pt/Co3O4/CC
结论与展望
BIEF在电催化反应中的应用展示了其在提高催化性能方面的巨大潜力，特别是在调节反应物吸附、降低反应能量障碍和加速电子转移方面。通过调节催化剂表面的电荷分布和局部电位梯度，BIEF可以显著优化电催化反应的动力学，提高反应选择性，并增强催化剂稳定性。尽管多项研究
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了教育部材料与表面技术重点实验室（项目编号：xxx-2025-yb004）的财政支持。
Junfeng Qin | Qingguo Meng | Zhi Zheng | Xiaobin Liu | Jingqi Chi
