由于对以化石燃料为基础的能源资源的需求迅速增加，加速了环境危机，水电解或燃料电池等能源转换技术的商业化已成为学术界和工业界的优先目标。然而，这些最先进的技术需要使用昂贵的贵金属电催化剂，这大大削弱了其商业成功的可行性。由于催化剂制备成本较低，在贵金属基电催化剂中引入较便宜的元素（即掺杂）在纳米催化研究中已变得很普遍。有趣的是，最近的研究揭示了掺杂剂在贵金属催化剂中的其他作用。掺杂可以通过调控催化剂的能带结构，优化催化剂表面能，控制被吸附物的结合强度并因此影响反应动力学来增强催化活性和选择性。掺杂剂还可以干预纳米晶体的生长机制，从而导致形状和相位受控的纳米晶体。

有鉴于此，韩国高丽大学Kwangyeol Lee教授等人，从纳米晶生长到纳米催化剂性能等各个方面综述了掺杂剂在纳米颗粒基催化中的多功能性。进一步讨论了纳米晶体中掺杂剂及其应用的未来挑战和前景。

本文要点

1）同时考虑电催化活性和稳定性，掺杂剂的有益作用可大致分为两方面:1)稳定性显著提高，活性降低最小;2)活性和稳定性同时提高。前一种情况主要在贵金属基掺杂剂（Au或Rh）中观察到，它们对所需的电催化反应没有活性，但能够抑制活性金属物质的溶解。在这种情况下，最佳掺杂量可达到几个原子百分比，这可以最小化非活性掺杂剂对催化活性表面的不受欢迎的阻塞。另一方面，后一种情况在包括过渡金属(Mo, W, Mn, Co等)和p-嵌段元素(P, N, Ga等)的各种掺杂剂中观察到。在电催化过程中，非贵金属掺杂元素会溶解形成空位，使电催化剂产生新的活性位点或与活性催化位点发生新生的轨道作用，从而改变电催化剂的表面能和能带结构。

2）前者利用贵金属原子的策略主要是为了直接提高电催化剂的耐久性，而后者则主要依赖于掺杂剂的组合筛选，预期了掺杂剂与活性元素之间的协同作用。随着对掺杂贵金属基电催化剂的大量研究报道，合理设计电催化剂的时机已经成熟，而不是简单的组合合成方法。此外，影响电催化性能的因素并不局限于催化剂的组成，表面结构、形貌和缺陷也很重要。因此，在评价掺杂剂对电催化活性和稳定性的确切有利影响时，还应考虑结构-活性关系。然而，分离所有因素对电催化性能的影响是相当具有挑战性的。

3）因此，要弄清楚电催化剂中掺杂剂对电催化活性和稳定性的精确影响，需要付出大量的努力。特别是，贵金属基合金NCs的局部组成被认为与它们的电催化性能密切相关，且贵金属基电催化剂中的掺杂元素通常不均匀分布在NC结构中。因此，控制贵金属基NC电催化剂中掺杂元素的局部分布和化学状态是建立高活性、稳定的掺杂电催化剂设计策略的关键因素。然而，很少有研究考察电催化性能和掺杂剂局部分布之间的确切关系。模拟了Mo掺杂PtNi体系中Mo掺杂物在电催化过程中的迁移，揭示了Mo在PtNi NCs中不均匀分布对其ORR活性和稳定性的影响。为了彻底理解组成与催化性能之间的关系，应该采用能够精确控制NC中掺杂剂的局部分布和相对数量的合成方法。

参考文献：

Taehyun Kwon et al. Dopants in the Design of Noble Metal Nanoparticle Electrocatalysts and their Effect on Surface Energy and Coordination Chemistry at the Nanocrystal Surface. Advanced Energy Materials, 2021.

DOI: 10.1002/aenm.202100265