非晶（无定形）金属催化剂：原子水平设计及多功能电催化应用

单原子催化剂(SACs)是一种最能利用原子的新型重要电催化剂。金属原子在载体上的无序分布和特定的配位结构是载体SACs的基本特征。最新出现的非晶金属超薄纳米结构材料（AMUNMs）通常具有单原子层或少原子层厚度、金属原子排列紊乱、大量空位(或微孔)和密集暴露的原子结构等特点。最近Li和Shen等人提出了一个新的概念——超高密度原子级催化剂(UHD ALCs)来描述具有最佳原子暴露比的AMUNMs。

特别地，AMUNMs可以看作是一种独特的独立的自支持的原子级催化剂体系。本文系统地总结了AMUNMs(包括0-D、1-D和2-D超薄纳米结构)的设计思想，对电催化应用进行了展望。指出了这种新型超高清ALCs在电化学能量转换领域所面临的挑战和发展前景。

在许多与能源相关的电催化反应(如氧还原反应(ORR)、甲醇氧化反应(MOR)、乙醇氧化反应(EOR)、甲酸氧化反应(FOR)、析氧反应(OER)、析氢反应(HER)、氮还原反应(NRR)、二氧化碳还原反应(CO₂RR))中，这些具有原子厚度的超薄纳米结构催化剂，包括单金属(合金)、过渡金属氧化物(TMO)、过渡金属硫化物(TMS)和层状双氢氧根(LDH)催化剂比商用催化剂具有更高的效率和稳定性。

新型的非晶金属超薄纳米结构材料(AMUNMs)可以被视为一种潜在的超高密度原子级催化剂(UHD ALCs)独立体系(包括0-D、1-D和2-D超薄纳米结构)，可用于广泛的电化学转化应用。超薄的纳米结构(单原子层或少原子层厚度)、远距离无序排列的原子结构(大量空位和微孔)和丰富的金属-非金属配位结构(超高密度配位原子结构)使AMUNMs具有较高的金属原子利用率、高的电催化效率和令人满意的稳定性。

本文系统总结了AMUNMs在电催化方面的意义，并通过几个典型的研究案例分析了AMUNMs的制备方法、结构表征和催化应用。此外，作者还就AMUNMs (即UHD ALCs) 作为未来电催化应用的机遇和挑战提出了深入的意见和合理的建议(见图1)。

图1 AMUNMs的不同维度结构。

图2 二维（2-D）AMUNMs: (A-H) Ir基AMUNMs纳米片和(I-N) PtSex基AMUNMs纳米片的结构表征和催化性能。

图3 一维（1-D）AMUNMs: (A-B) PdM AMUNMs纳米线和(C-E) PdCuP AMUNMs纳米线的结构表征和催化性能。

图4 零维（0-D）AMUNMs: (A-H) NiFe AMUNMs纳米颗粒和(I-Q) Pd AMUNMs纳米颗粒的结构表征和催化性能。

图5 本文提出的从AMUNMs到UHD ALC设计原则及路线图（基于空位/多孔结构、原子配位结构和电子结构调控，通过“构效关系“研究，得到催化材料设计的基本原则）。

(i) 超薄的非晶态催化剂可以暴露更多的空位缺陷和不饱和配位键，这些通常被认为是催化反应的有效活性位点(最高原子效率);

(ii) 超薄非晶催化剂具有丰富的亚纳米微孔结构，可同时实现表面和体积的协同催化行为(内外催化效应);

(iii) 超薄非晶催化剂由于其电解-催化剂界面非常大，可以实现快速电化学全重建(快速电化学活化)。

基于AMUNMs的UHD ALCs是一种最新的、有前途的用于不同类型反应的电催化剂。

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