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摘要
电催化是发展可持续洁净能源技术的基础科学,是电化学能源转换和物质转化的关键环节.精准合成催化活性纳米结构是制约很多电催化反应走向实际应用的重要挑战.与湿化学合成、固相合成和气相沉积等传统方法相比,电化学合成是一种简单、快速、廉价及可控的高效催化材料制备方法,也是一种最为直接的一体化电极制备方法.本文综述了近年来利用电化学合成方法制备高效能源催化材料的研究进展.首先,简要介绍了电沉积、阴极腐蚀、电化学去合金化、电化学置换、电化学剥离和电化学修饰等几种主要电化学合成方法的基本原理,并讨论了电化学合成中电势、电流和电解质组成等关键合成参数的影响.然后,重点讨论了电化学合成的催化材料在燃料电池、电解水、二氧化碳/一氧化碳电还原、电化学合成氨、有机分子电化学转化等重要电催化反应中的应用.这些催化材料按照形貌可分为单原子催化剂、球形纳米粒子、形貌可控的纳米粒子、二维层状/片状纳米材料和三维纳米结构等.电化学合成在制备结构明确的单原子催化剂上具有其它合成方法不可比拟的优势.与胶体化学方法相比,电化学合成的尺寸和形貌可控的纳米粒子具有表面清洁、无表面附着的有机配体以及不需要焙烧等催化剂预处理的特点.除形貌外,电化学合成还可以制备在原子尺度上具有特定几何和电子结构的催化活性纳米结构.电化学方法也是催化剂修饰和再生的一种重要途径,结合特定的电化学程序,可在连续操作条件下实现催化材料的原位再生.通过讨论代表性的催化剂案例,分析这些催化剂在电催化应用中的构效关系,阐明了电化学合成方法在催化剂理性设计和制备中的独特优势.最后,总结了当前电化学合成催化材料方面存在的问题和研究挑战,并展望了未来的发展方向.电化学合成的能源催化材料在热催化、光催化等领域的应用价值仍需进一步探索.此外,电化学合成在金属有机框架、高熵合金等新兴功能材料的制备上也具有很好的应用前景.如何利用电化学的特点并结合原位表征、大数据预测等先进实验和理论方法,更加精准、可控地合成催化活性纳米结构依然是未来该领域重要的研究机遇.
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