电催化剂异质位点“电子通信”：基本原理及案例分析！

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单原子催化剂的配位结构和d带中心在电催化中扮演着至关重要的角色。d带中心的位置决定了催化剂表面与反应物分子之间的相互作用强度，进而影响电催化反应的活性和选择性。

碳基单原子催化剂的配位结构及其原子表征

https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00002-8

d带中心的位置可以通过调整催化剂的组成、结构和电子态来实现。当d带中心向费米能级移动时，催化剂表面与反应物分子之间的相互作用增强，有利于反应的进行。相反，当d带中心远离费米能级时，相互作用减弱，可能导致反应活性降低。在电催化领域，通过精确调控单原子催化剂的d带中心位置，可以优化催化剂的性能，提高反应效率和选择性。

图2d带中心理论态密度（DOS）分布及能级耦合示意图。

https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00006-5

电催化位点电子通信是指催化剂表面 不同活性位点之间通过电子相互作用来影响催化反应的过程。这种 电子通信可以增强催化剂的活性和选择性，从而提高电催化反应的效率 。以下是关于电催化位点电子通信的基本原理和案例分析：

（1）基本原理：

电荷转移效应：电荷转移效应是基于不同组分之间的界面电荷转移，实现电荷密度的定向调节或特定的电子泵功能，从而调节反应物在催化剂上的吸附和活化机理。

d带中心理论：该理论认为，金属催化剂的活性可以通过研究单个变量（如d轨道的能级位置）来判断。吸附分子与金属催化剂表面相互作用时，会形成新的成键轨道和反键轨道，影响体系的稳定性和反应活性。

电子金属-载体相互作用（EMSI）：这种相互作用涉及金属基体与支撑材料之间的电子转移，可以影响催化剂的电子结构和性能。

异质双金属位点的电子通信：研究表明，在单个金属纳米颗粒上（或双金属原子上），不同活性位点之间存在电子通信，这种通信可以驱动活性位点间的两个半反应耦合，从而降低反应的活化能。

图1密集相邻位点的 协同电子通讯效应 或独特的 “氧桥”电子通信 结构。

https://doi.org/10.1002/adma.202211221

（2）案例分析：

金属纳米颗粒上的电子通信：陈雅欣团队的研究表明，金属铑颗粒催化剂在一氧化碳的低温氧化过程中表现出很高的活性，而非金属态的铑簇或单原子催化剂则保持催化惰性。这一发现证明了 单个金属颗粒上活性位点之间存在电子通信 ，使得金属颗粒催化剂的周转频率显著提高。

https://doi.org/10.1038/s41467-024-52997-w

异核双原子位点的电子通信：浙江大学陆俊和西湖大学刘剀的研究揭示了Fe-Zn 双原子位点的本征电子转移 有助于电催化二氧化碳还原反应。Fe和Zn中心之间的电负性差异诱导了 特定的电子转移（电子通讯） ，优化了活性Zn位点的电子结构，从而提高了CO2到CO转化的反应途径。

https://doi.org/10.1002/aenm.202403778

单原子镍和铁-氮簇物种之间的电子通信：陕西科技大学最新发表AFM成果证明：单原子镍和铁-氮物种之间的电子通信促进双功能氧进化和还原，从而实现高效的锌-空气充电电池。密度泛函理论计算结果显示，相比于原始NiN4H结构，该催化剂中的NiN4-FeN4部分费米水平附近的d带中心上移，从而改善了对*O吸附的效果，减轻了OER反应过程中的困难。

图2单原子和簇之间的电子 通信结构及d带中心理论 。

https://doi.org/10.1002/adfm.202424597

这些研究和案例展示了 电催化中位点电子通信 在提高催化剂性能和效率方面的重要性。

总结：大多数电催化反应通常 涉及反应物之间的电子转移 ， 其中催化剂充当电子库，从一种反应物接受电子，然后将其传递给其他反应物，因此催化剂的电子状态，无论是非金属态或金属态，对反应速率均有直接影响 。总之，不同活性位点之间的电子通信在电催化中具有重要的作用。