電催化是提高能源利用效率的最有效技術(shù)之一。電催化反應(yīng)發(fā)生在電極-電解質(zhì)界面上，通常伴隨著氣體、液體分子和離子的傳質(zhì)過程。然而，由于實(shí)驗(yàn)上精準(zhǔn)表征反應(yīng)面的方法尚待開發(fā)，如何研究電催化過程中催化劑的真實(shí)表面狀態(tài)（如：覆蓋度等）一直是一大難題。對(duì)于近些年來在電催化領(lǐng)域內(nèi)研究火熱的雙原子催化劑（dual-atom catalyst, DAC）來說，之前一些理論計(jì)算忽略了其表面真實(shí)狀態(tài)的研究，這可能與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情況存在偏差，從而影響計(jì)算結(jié)論。在對(duì)過去雙原子電催化文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（圖1），雙原子在電化學(xué)下的表面態(tài)是一個(gè)被忽視的環(huán)節(jié)。

圖1. 過去6年的雙原子催化劑相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)

基于此，華北電力大學(xué)（保定）楊維結(jié)、高正陽教授課題組和日本東北大學(xué)李昊教授（通訊作者）等人以實(shí)驗(yàn)和理論上廣泛應(yīng)用的Fe-Ni-N_x-C雙原子體系為例，通過計(jì)算其surface Pourbaix diagrams，發(fā)現(xiàn)在電化學(xué)溶液環(huán)境中，雙原子催化劑的橋位以及金屬活性位點(diǎn)會(huì)不同程度地被來自水活化的H、O和HO毒化，并且不同金屬配位環(huán)境、pH和電壓也會(huì)對(duì)其表面狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而影響催化反應(yīng)的活性（圖2-4）。鑒于此，上述學(xué)者提出了一個(gè)重要觀點(diǎn)：在研究雙原子催化劑電催化活性之前，先分析其在電催化條件下的真實(shí)表面狀態(tài)是必不可少的（圖5）。

圖2. pH=0時(shí)表面吸附構(gòu)型及surface Pourbaix diagrams

圖3. 考慮pH和電壓的surface Pourbaix diagrams

圖4. 不同反應(yīng)電壓下Fe-Ni-N_x-C體系的表面占據(jù)情況

圖5. 一個(gè)以表面態(tài)分析為出發(fā)點(diǎn)的電催化活性研究思路

Yang, W., Jia, Z., Zhou, B. et al. Surface states of dual-atom catalysts should be considered for analysis of electrocatalytic activity. Commun Chem 6, 6 (2023). https://doi.org/10.1038/s42004-022-00810-4