证明：本文采算科技先容了界面工程的想法、中枢基础（界面电子结构、化学解放能等）及界面结构构建要领（外延滋长、异质包覆等），读者可系统学习到界面工程进步催化剂性能的机制，了解其通过调控电子、几何结构等优化催化活性与踏实性的要道旨趣及实施策略。
什么是界面工程
常常，电化学响应发生在固体催化剂的名义或界面。为在特定催化条目下得到更优性能，全心盘算的电催化剂需具备优化的物理或化学性质，以同期促进吸奖饰脱附过程。
在各种电催化剂盘算权术中，界面工程是进步催化剂电催化性能的可行且有用策略之一。界面结构常常由两种或多种不同组分酿成，表面上可动作不同组分间电子或中间体传输的通谈。
通过合理调控界面原子胪列，可调控电催化剂的物理化学性质，这对电催化性能具有进犯影响。此外，不同组分间的强耦合营用及酿成的界面不仅能进步电子导电性，还可增强电催化过程中的踏实性。
图1. 界面工程电催化剂的结构-表征-催化性能关系图。DOI: 10.1016/j.mattod.2021.02.004
界面工程基础
界面工程因其可通过特有的物理化学性质合理盘算以进步电催化活性、踏实性和接受性，受到日益平时的关心。
界面电子结构
电催化响应发生在催化剂名义或界面，过程触及多电子滚动及响应中间体的生成。电催化剂与响应物的互相作用对催化响应至关进犯，而这种互相作用很猛进程上取决于名义或界面的原子胪列与电子结构。
界面工程可调控几何结构、晶体结构和电子结构，对电子、质子滚动及响应物交换产生可调控的协同作用；界面结构上的电子重散布已被证明是促进电荷从催化剂向响应中间体滚动的有用格式。
在各种分级电催化剂中，已构建出多种相貌的界面。如图2所示，组分A和B之间酿成界面，为电子和质子滚动提供通谈。
图2.（a）理思三相领域默示图：电子通谈、质子通谈与溶液相交织于活性位点。DOI: 10.1016/S1872-2067(15)60911-1
常常，界濒临电催化活性的作用机制包括两种情况（如图3所示）：在情况I中，界面为电催化剂中两种组分（A和B）间的电子传输搭建桥梁，电催化响应主要发生在组分A上，响应速度受A与响应物间的聚合能影响；通过电子互相作用可调控名义环境，均衡催化剂与响应物间的吸奖饰脱附强度，以终了最优电催化性能。
与情况I不同，界面互相作用的另一种情况（情况II）是不同组分厚爱不同的催化过程。如图3所示，组分A和B别离厚爱吸奖饰脱附过程，此时界面的作用是为响应中间体从A向B的滚动提供通谈。
图3.A、B组分组成含界面催化剂：情形I，A提供活性位，B调控A名义环境以优化电催化；情形II，吸附与脱附别离发生在A、B。DOI: 10.1002/adfm.201806419
化学解放能
电催化响应的全体机制可回来为三个邻接要领：（1）响应物在电催化剂名义或界面的化学吸附；（2）响应物活化生成中间体；（3）最终居品从电催化剂脱附至电解液。
把柄Sabatier旨趣，活性位点与响应物种的互相作用是影响电催化性能的要道身分，这种互相作用需强弱适中。因此，为促进系数电催化响应，需优化吸奖饰脱附要领。
此外，d带中心能级越低，吸附质与金属的互相作用越弱—这是因为当金属催化剂名义发生吸附时，反键轨谈会填充更多电子，导致电子从金属向吸附质的滚动减少，进而产生弱聚合营用和低活性。
如图4所示，为进展界面工程对催化剂化学吸附的影响，探求东谈主员盘算了一种Ni-Co双金属氢氧化物先行者体的两步煅烧策略，构建多孔纳米级NiO/NiCo₂O₄异质结构，将其用作HER和OER的双功能电催化剂。
NiO纳米片与NiCo₂O₄基体间的强聚合酿成了丰富的活性界面区域，OD体育(ODSports) X射线光电子能谱（XPS）扬弃证明该区域存在电荷重散布。DFT策划标明，界面处的Ni位点更易成为吸附位点；与纯NiO和NiCo₂O₄比拟，OH⁻更倾向于吸附在NiO/NiCo₂O₄异质结构的(100)界面名义，因为该界濒临氢氧根离子的化学吸附解放能（ΔGOH）更低。
图4. （a）两步煅烧NiCo双金属先行者体制备多孔纳米NiO/NiCo₂O₄异质结构默示图，先行者体由微波扶助水热法合成。DOI: 10.1016/j.mattod.2021.02.004
功函数
功函数在表面上界说为0K时从材料中移除一个电子所需的最小能量，用Φ线路。材料名义的电荷重散布会产生名义偶极子，酿成正负势能台阶，进而影响名义外的电子势能，最终有用改换功函数。
因此，可通过材料名义工程及改换电荷气象来调控功函数；从这个角度看，调控结构性质和局部几何构型是通过界面电荷重散布改换催化剂局部功函数的常用策略。功函数与电子从材料中移出的能垒干系，因此功函数越低，电子滚动的能垒越低，更故意于电催化，功函数常常被用作评估电催化剂性能的要道参数。
紫外光电子能谱（UPS）对价带电子具有高智谋度，已被平时用于材料功函数的检测。探求标明，通过向碳基体中掺杂杂原子或引入其他化合物，星空体育(中国)官方网站可顺利调控碳的电子能带结构，进而改换其功函数。
如图5所示，探求东谈主员通过浅薄的配体交换响应聚合热解过程，获胜制备了镶嵌氮磷共掺杂碳（N，P-C）中的焦磷酸钴（Co₂P₂O₇）纳米颗粒（NPs），酿成具有丰富界面结构的纳米笼（Co₂P₂O₇@N，P-C）。
图5. （a）Co₂P₂O₇@N，P-C纳米笼的制备经由默示图。（b）Co₂P₂O₇@N，P-C纳米笼的透射电子显微镜（TEM）图像。（c）高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。（d）Co₂P₂O₇、N，P-C及Co₂P₂O₇@N，P-C的功函数值（插图为对应的UPS光谱）；（e）Co₂P₂O₇与N，P-C之间异质结的能带默示图（Evac=真空能级，Ec=导带，Ev=价带，Ef=费米能级，Eg=带隙，W=功函数，Φ=铺张层）。DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.118417
应变效应
应变是姿色固体材料形变的进犯物理想法。应变效应常常酿成于不同组分晶格参数不匹配的杂化材料中，并从界面向名义衰减。在特定材料中，可通过晶格畸变不雅察到应变效应引起的原子键长变化。内应变效应可调控名义电子结构，改换对吸附质的聚合能，进而影响电催化剂的活性和踏实性。
d带小于半填充的早期过渡金属在晶格延迟时施展出更低的吸附能，这与典型的晚期过渡金属情况相悖。把柄d带表面，延迟应变会窄化d带宽度：关于早期过渡金属，d带窄化导致d带中心下移以守护d带填充度；关于晚期过渡金属，疏浚机制会使d带中心上移。
如图6所示，探求东谈主员在氧化石墨烯（GO）负载的Pd-Au双金属纳米颗粒中，通过Pd与Au界面处的局部应变，进步了ORR的后果和踏实性。HRTEM扬弃高慢，由于Pd与Au的晶格不匹配，Pd-Au界面近邻的Pd外延层承受拉伸应力，而Au则承受压应力。
DFT策划标明，关于承受+5%拉伸应变的界面Pd位点，*O的聚合能缩短，而*OH的聚合能加多。因此，速度决定要领（O*+H₂O+e⁻→OH*+OH⁻）的能垒减小，ORR性能得到增强。
图6.（e）晶体结构默示图及（f）HRTEM图像，明晰展示Pd-Au晶格。DOI: 10.1016/j.cej.2020.124240
综上，电催化剂中两种不同组分酿成的界面效移交催化活性和接受性具有进犯影响：界面工程可调控电子结构，以优化电子和质子滚动，均衡催化剂上中间体的吸附与脱附；此外，界面工程还可通过调控几何结构和化学吸附行为影响响应物在催化剂上的响应活性，而催化剂中的应变效应也能改换对吸附质的聚合能，从而进步电催化活性、接受性和踏实性。
界面结构构建要领
外延滋长
外延滋长是原位构建具商量晶相和表露界面的杂化纳米结构的典型要领。两种晶体间的小晶格失配可最小化杂化纳米结构的界面能，这是终了外延滋长的要道身分。溶液相外延虚心相外延是制备具有不同结构和组分的杂化纳米结构的两种常用外延滋长要领。
如图7所示，探求东谈主员应用晶体结构的晶格匹配性，通过在H₂/Ar敌视下热科罚，在表露（001）晶面的二维三元硫代磷酸镍（NiPS₃）纳米片上原位外延滋长二磷化二镍（Ni₂P）。
DFT策划标明，NiPS₃/Ni₂P外延界面处的内建电场可显赫缩短H吸附能垒，加快电子滚动。推行测试扬弃进一步标明，所得NiPS₃/Ni₂P中的外延界濒临HER和OER均有活性进步作用。
图7. （a）默示模子展示NiPS₃与Ni₂P之间的晶格匹配情况。（b）在均衡电位（U= 0V）下策划的NiPS₃/Ni₂P、Ni₂P(001)、Ni₂P(110)和NiPS₃(110)的ΔGH*，插图给出H*吸附的DFT优化构型。（c）NiPS₃/Ni₂P界面的电荷密度差散布，红色（绿色）别离线路电子积蓄（Δρ=+0.01e·bohr⁻³）和铺张（Δρ=−0.01e·bohr⁻³）；Ni、S、P、H原子别离以灰色、黄色、紫色、蓝色标示。DOI: 10.1021/acsnano.9b02510
异质包覆
异质包覆是在纳米法式下构建核–壳结构中核与壳材料间界面活性位点的常用策略。核-壳结构可合理调控界面位点的电子/化学构型，进步催化后果和恒久踏实性。
如图8所示，探求东谈主员建议了一种便捷的名义工程策略，通过在钴基金属有机框架（Co-MOFs）上包覆聚多巴胺（PDA）并扶助热解，合成ORR电催化剂-该催化剂中，Co纳米颗粒被多层氮掺杂石墨碳壳层包裹。
HRTEM图像明晰高慢了Co纳米颗粒与碳层间的界面，XPS和N K边软X射线经受近边结构（XANES）扬弃证明，此处酿成了共价键合的Co-N-C界面结构，所制备的催化剂展现出理思的ORR性能。
图8.（a）Co-MOFs@PDA-800的高分辨TEM图像。（b）Co-MOFs@PDA-n的N K边X射线经受近边结构（XANES）。（c）各种品O₂鼓胀0.1M KOH溶液、1600rpm转速下的ORR线性扫描伏安（LSV）弧线。DOI: 10.1002/smll.201702074
杂化
两种纳米材料间的强杂化作用是电催化剂盘算与合成鸿沟的探求热门。金属氧化物、氮化物、硫化物以及碳基材料通过强化学键聚合，被平时用于杂化；其中，碳纳米管（CNTs）因导电性高且电化学踏实性优异，成为制备一系列杂化材料的热门接受。
如图9所示，探求东谈主员应用发轫进的钌（Ru）和氧化铱（IrOₓ）的高活性，通过分步多元醇策略合成了核-壳结构Ru@IrOx纳米晶，其界面处存在电荷重散布。
高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）明晰识别出该纳米晶的界面结构—含Ir壳层（高衬度）和Ru核（低衬度）。收获于故意的价态和踏实的核-壳纳米结构，所制备的Ru@IrOx纳米晶在酸性环境中展现出优异的OER性能（活性高、踏实性好）。
图9.（E）沿[112]轴立地及第的Ru@IrOx核-壳二十面体纳米晶体的HAADF-STEM图像。（F）四方IrO₂与面心立方Ir别离沿[100]和[110]轴的投影结构模子星空体育。DOI: 10.1016/j.chempr.2018.11.010
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