在过去的几十年里，由于纳米级电催化剂的合理设计，电催化技术取得了巨大的研究进展。其进一步的发展需要则要求研究人员在原子水平上设计电催化剂，这无疑是一个巨大的挑战。阳离子交换策略是通过表面刻面、杂原子掺杂、缺陷形成和应变调制等手段微调电催化剂原子结构的有力工具。

有鉴于此，天津大学凌涛教授，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授重点综述了阳离子交换策略在制备先进电催化剂方面的最新进展。

文章要点

1）作者首先从热力学以及动力学上概述了阳离子交换策略。而在实际应用中，阳离子交换反应的进程可能与热力学的考虑有很大的不同，因为动力学因素，如活化势垒，在决定该反应的可行性方面起着重要作用。对于高比表面积的纳米晶尤其如此。在纳米尺度上，低配位、富含缺陷和应变的表面通常是离子交换反应的理想高能位。经过交换反应后，可以保留这些有利的结构特征。这使得阳离子交换成为一种特别吸引人的合成工具来定制电催化剂的原子/电子结构。

2）作者总结了阳离子交换法调整纳米电催化剂的原子结构的研究，包括：1）构建表面刻面（当模板纳米晶足够大以保持阴离子晶格的稳定性时，阳离子交换可以保持形状。这提供了定制交换改性表面的可能性）；2）杂原子掺杂还可以显著提高电催化剂的性能；3）利用阳离子交换可以简便的将缺陷引入到纳米晶基质中，而缺陷控制着母体和产物晶体之间的联系，并为客体离子进入主晶体提供足够的迁移率，因此是提高电催化剂本征活性的通用策略；4）由于纳米晶与体相相比可以保持很高的晶格应变，应变工程（原子的膨胀或压缩排列）作为一种新的自由度出现，可以在原子水平上有效地操纵催化剂的电子结构。

3）催化剂的性能从根本上取决于其电子结构，合适的电子结构工程保证了最佳的催化活性。因此，作者总结了通过阳离子交换调节原子结构进而调节纳米电催化剂的电子结构的研究，包括：促进电子传导性以及反应中间体的能级优化。

4）阳离子交换为优化纳米结构电催化剂的原子和电子结构提供了一种可控的方法。从而大大提高了电催化剂的本征活性和表观活性。这些优化的电催化剂在能量转换装置中的进一步实际应用还需要大量生产和控制原子/电子结构。作者进一步总结了基于阳离子交换型电催化剂的应用。

5）作者最后提出了有关阳离子交换策略的未来研究方向，包括但不限于：i）利用原位和operando技术，结合理论模拟，研究电催化剂在反应过程中的结构变化；ii）随着可控金属氧化物和硫化物催化剂的问世，各种活性材料，如金属磷化物、硒化物、氮化物等，都需要进一步探索阳离子交换策略；iii）对实际应用进行长期评估测试，此外，实际应用需要开发经济、安全、大规模的阳离子交换技术。因此就需要制造设备的创新，以实现大规模生产，同时严格控制电催化剂的大小、面、掺杂、缺陷和应变等。

Tao Ling, et al, Recent Progress in Engineering the Atomic and Electronic Structure of Electrocatalysts via Cation Exchange Reactions, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202001866

https://doi.org/10.1002/adma.202001866