中山大学姚向东&长沙理工大学张怡琼Chem. Soc. Rev.综述：电催化中的“缺陷美“

第一作者：张怡琼，刘静静，谢超

通讯作者：张怡琼*，姚向东*

单位：长沙理工大学，中山大学

发展高性能电催化剂对于提升能源存储与转换技术的效率至关重要。电催化过程涉及反应物分子、中间物和产物等在催化剂表面的吸附、电荷转移、脱附等步骤，因此，电催化剂性能主要取决于催化剂的表面结构，即化学组分、几何结构和电子结构等。近年来，研究表明合理设计与调控催化剂的缺陷结构能够诱导其表面原子重排，进而加快反应进程。然而，目前仍然缺乏全面的缺陷与催化剂间的内在联系的认识。基于此，本综述系统总结了缺陷的类型、合成方法、表征技术，深入探讨了缺陷与催化性能间的内在联系以及缺陷催化剂的应用和发展现状。最后总结并展望了当前缺陷催化剂的挑战和未来发展趋势。本综述有望为缺陷和催化领域研究提供指导和建议，有助于拓展缺陷电催化剂在催化和能源领域中的工程化应用。

近日，来自长沙理工大学的张怡琼副教授与中山大学的姚向东教授合作，在国际知名期刊Chemical Society Reviews上发表题为“Design and regulation of defective electrocatalysts“的综述论文。该文章总结分析了最新缺陷电催化剂的分类、制备和表征方法，同时深入剖析了缺陷与性能间的构效关系以及缺陷电催化剂的发展应用，为开发高效缺陷电催化剂用于能源催化领域提供有价值参考。

按照不同的分类标准可将缺陷分为不同的类型，例如以缺陷相对于固体催化剂面积大小为分类依据，可将缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷和体缺陷；按照缺陷的产生原因，可将其分为热缺陷，电荷缺陷、辐射缺陷等；按照热力学方面，可将其分为可逆缺陷和不可逆缺陷；按照原子种类，可将其分为化学缺陷和几何缺陷等。

本综述主要总结了几种实验上常见的构筑缺陷工程的策略，即传统热解法，物理辐射法，化学处理法和机械球磨法等。每种方法都有各自的优缺点，可以根据催化剂需要选取相应的实验方案。

常见的电催化反应是涉及气体/固体/液体的三相界面反应，精准识别催化剂中的缺陷对于催化剂改性并揭示构-效关系具有重要意义。目前，用于识别催化剂中缺陷的方法包括直接形貌表征（Direct morphology characterization）和间接光谱表征（Direct morphology characterization）。例如，直接形貌表征主要包括SEM、HR-TEM、STM、AFM等。间接光谱表征主要包括XRD、XPS、EPR、XAS等技术，并且辅助一些原位测试表征手段。

缺陷通过改变活性中心的电子和几何结构等来调控催化剂与中间体的结合能，进而改变反应能垒和提升性能。本综述主要总结缺陷对催化剂的三大影响，即调控活性位点的电荷分布、缺陷本身作为活化/吸附/锚定位点、缺陷的动态演变生成新的活性物种，从这三大方面深入探讨了缺陷与电催化性能的内在联系。

从2015年至今，缺陷电催化和缺陷电催化剂的概念被越来越广泛的接受和关注。本综述从促进缺陷电催化剂的发现、加深对缺陷在电催化中的作用的认识和扩大缺陷工程在电催化体系中的应用三个方面，分别展示了缺陷电催化剂的发展历程和基于近几十年丰富成果的一些重要研究。

张怡琼：副教授，硕士生导师，湖南省优秀青年基金获得者，湖南省湖湘青年英才，长沙理工大学“湖湘学者”。主要从事电催化剂的设计与调控、新型电催化反应体系以及电极结构设计等方面的研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、组织间国际合作与交流项目（课题）、湖南省优秀青年科学基金、省自科青年基金、省教育厅优秀青年项目、教育部产学合作协同育人项目、省高校教学改革重点研究项目等项目。目前已在Chemical Society Reviews，Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy & Environmental Materials等期刊发表学术论文40余篇。