導讀

近日，山東大學化學與化工學院張進濤教授團隊圍繞能源界面電化學方向的基礎研究迎來節點性突破，在國際頂級期刊Journal of the American Chemical Society（JACS）與Angewandte Chemie International Edition（Angew. Chem. Int. Ed）發表系列研究成果。相關研究聚焦于揭示和重構電極界面電子態，系統闡釋了如何通過電子態空間分布、能級調控與動態響應實現催化活性、選擇性與穩定性的本質提升。

電催化反應的本質是一個界面電子態主導的動態過程，涉及反應物的吸附、活化、中間體的轉化與產物的釋放。界面電子態不僅決定反應路徑與能量勢壘，還深度影響電子-質子的協同轉移效率。尤其是由中間體誘導產生的陷阱態與瞬態通道，構成了調控催化動力學與選擇性的關鍵因子。因此，如何在多尺度上精準調控界面電子態，成為實現電催化性能躍升的核心科學問題。在發表于JACS的研究中，張進濤教授與王俊教授合作提出了“雙d帶中心協同調控”新策略，有效突破了傳統d帶理論在磁性體系中對界面電子結構描述的局限。研究構建了磷摻雜二硒化鈷負載于氮摻雜碳骨架的復合正極材料（P–CoSe?@NC），實現了優異的循環穩定性與反應可逆性。微觀結構分析表明，磷摻雜誘導晶體表面應力驅動雙d帶中心在不同晶面產生方向相反的遷移趨勢。這種“增強–削弱”協同機制精準實現了跨晶面方向的吸附強度優化，顯著提升了催化劑的整體電催化效率與反應選擇性。該策略不僅完善了磁性體系中d軌道電子態的理論框架，也為電催化多晶面調控提供了新的結構-性能設計思路。論文第一作者為博士研究生張一鳴和趙蘭玲副教授（論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c03061）。

圖1雙d帶中心協同調控可逆電催化

發表于Angew. Chem. Int. Ed的研究工作中，團隊將界面電子態調控理念延伸至宏觀腐蝕過程的重新構建，提出了“去電子驅動的宏觀腐蝕電池體系”設計思路。該體系從犧牲陽極的陰極保護機制出發，打破傳統腐蝕過程中電子能耗散與原子利用率低的瓶頸，實現界面電子遷移的空間解耦與功能整合。通過構建電子通道與反應位點的耦合網絡，實現電子遷移的空間解耦與功能重組，成功將陽極金屬的去電子過程與MOFs沉積、析氫、氧還原等多反應路徑耦合，達到近乎100%的電子與原子轉化效率。該研究不僅拓展了腐蝕工程的研究邊界，也為高效合成MOFs材料與電化學能量轉化的耦合設計提供了新平臺。論文第一作者為學院青年教師王月青（論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202507722）。

圖2 基于界面電子重構的電化學功能化設計

此前，圍繞分子尺度的電催化界面調控方面，團隊在Angew. Chem. Int. Ed發表了兩篇研究論文，進一步發展了基于芳香配體定向組裝的原子級分散Ni分子催化劑構筑方法。通過調控π–π堆疊誘導的電子重排行為，實現了催化劑表面Ni3?–OOH暫穩態活性位點的精準構建與可逆重構。該暫穩態位點在堿性條件下展現出對C–C/C–H鍵選擇性斷裂的高度活化能力，顯著提升了有機分子電氧化的反應速率與選擇性。原位譜學與密度泛函理論（DFT）計算表明，芳香配體誘導的局域電荷再分布有效調控了Ni中心的氧化態與配位環境，揭示了配位微環境如何通過電子態重構調控反應路徑，建立了“配位微環境–電子結構–催化性能”的構效關系新模型。論文第一作者為博士后楊成棟博士（論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202509377）。

圖3 基于配位微環境調控的電催化氧化

同時，團隊提出了以甲脒碘調節碘離子的溶劑化結構，有效解決了碘基電池中多碘化物易遷移、腐蝕鋅負極等界面問題。甲脒碘分子的引入顯著影響了I?與溶劑分子之間的相互作用，調控界面溶劑化殼層結構，抑制了可溶性多碘化物的形成與遷移，降低其對鋅負極的交叉穿透與副反應風險。該策略不僅有效減少了中間體積累引發的電極失活，還有助于提升電池的充放電效率與循環穩定性，展現了分子尺度界面調控在高效電化學能量存儲體系中的廣泛適用性與前沿性。論文第一作者為博士研究生商文碩（論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202415589）。

圖4基于有機碘溶劑化結構調控的可逆電化學轉化

綜上，這一系列研究結合界面電子態多維調控的理論框架，提出了雙d帶中心協同調控的新范式，將界面電子狀態動態演化機制用于宏觀腐蝕體系與分子級催化劑的構建，顯著推動了電催化的機制深化與功能拓展。這些成果得到國家自然科學基金、山東省杰青基金、泰山學者計劃的大力支持。

來源：山東大學