最新Nature Catalysis：探究电催化剂的结构转变

非均相还原电催化在水电解、二氧化碳电还原等可持续能源和环境修复中发挥着重要作用。具有复杂结构的阴极纳米电催化剂表现出优异的催化活性和对目标产物的选择性。目前，已报道的球形、圆锥形、棒状、棱柱状、针状和更复杂的结构，包括三维（3D）分层纳米花、纳米片、多孔泡沫和笼状多孔球等，已被用作电还原CO₂（CO₂RR）和O₂（ORR）及析氢反应（HER）的催化剂。但是，具有复杂纳米形态的电催化剂的长期结构稳定性（工业应用所必需）仍然难以实现。考虑到形状复杂的阴极纳米电催化剂的应用范围，了解在电催化过程中决定其结构稳定性的因素对该领域至关重要。然而，现在仅有一小部分关于复杂形状纳米催化剂的报道中提到了它们的结构稳定性或连续电解后观察到的形态变化，总体趋势有些矛盾和不确定。此外，最近的研究揭示了在CO₂电还原条件下金属纳米球的重构，表明纳米催化剂材料在电解过程中具有显著的流动性。因此，有必要进一步阐明在偏压下纳米催化剂中的结构动力学，以确保复杂纳米结构的催化活性特征不是其演化形态的瞬态。

在2021年6月3日，加拿大滑铁卢大学Anna Klinkova（通讯作者）等人报道了电化学和复杂电流行为如何影响纳米级物体及其在电催化过程中的结构稳定性。在文中，作者使用非原位高分辨率扫描电子显微镜（SEM）和欠电位沉积（UPD）电化学表面分析方法研究了具有明确定义的金（Au）和钯（Pd）核笼（CCs）以及支化纳米颗粒（BNPs）在阴极电解过程中的结构行为。作者基于实验观察趋势以及密度泛函理论（DFT）和有限元法（FEM）计算相结合，提出了对其结构动力学的描述。具体而言，作者揭示了电化学效应（吸附反应中间体促进的原子迁移）和电效应（电迁移）的相互作用和方向性，而这两种效应负责驱动材料中的结构转变。作者认为对于给定的纳米形貌，可以通过理论计算来评估在反应条件下表面原子迁移的能量可行性，以及在施加偏压下结构中电流密度的空间分布来确定易于重构的区域。纳米结构的材料及其表面发生的反应对结构变化的程度和速率起着重要的作用。总之，该工作中研究的一系列具体实例说明了阴极纳米催化剂结构稳定性的定性趋势，而理论基础可作为评估新材料电化学结构行为的预测方法。

Interplay of electrochemical and electrical effects induces structural transformations in electrocatalysts. Nature Catalysis, 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00624-y.