1. 電催化有什么用？

能源是未來各國競爭的核心資源。誰能率先擁有可持續(xù)清潔能源技術(shù)，誰將在國際競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位。電催化是該技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)。我們可以將能源的使用分為三個部分：（1）能源產(chǎn)生（燃料和能源）（2）能源運(yùn)輸（3）能源消耗。這三個方面可以用下圖來表示：

能量產(chǎn)生：目前常用于燃燒化石燃料（煤炭、石油、天然氣）。然而，在未來，人們希望通過電催化/光催化技術(shù)恢復(fù)陽光和空氣，形成燃料（fuel）：。

能量運(yùn)輸：如果我們能大量生產(chǎn)這些燃料，它們的運(yùn)輸也很重要，但因?yàn)閔2液化技術(shù)已經(jīng)成熟，大部分有機(jī)物都是液體，暫時(shí)不會對運(yùn)輸問題產(chǎn)生太大影響。

能耗：未來理想的情況是使用高功率、高效的燃料電池（fuel cell），通過電催化反應(yīng)將產(chǎn)生的燃料變成。當(dāng)然，這也可以繼續(xù)成為我們能量產(chǎn)生的反應(yīng)物。

這樣，燃料就可以通過二次循環(huán)回收。這也是未來清潔能源技術(shù)的一大愿景。

（此圖來自《fundamental concepts in heterogeneous catalysis》）

目前由于tesla在汽車的領(lǐng)導(dǎo)下，電動汽車領(lǐng)域正在蓬勃發(fā)展，國家也大力投入大量資金支持。如何開發(fā)高能量密度、高功率密度、高穩(wěn)定性、高安全性的燃料電池組。這是非常重要的。

電催化領(lǐng)域除了為能源產(chǎn)業(yè)提供理論支持外，還為電化學(xué)中的非線性效應(yīng)等許多其他領(lǐng)域的研究提供了實(shí)驗(yàn)平臺（nonlinear phenomena in electrochemistry）。

markovic在2016年nano energy還有一個很棒的示意圖（nano energy,2016,29,1-3）:

2. 電催化與其他催化方向的異同

stanford大學(xué)的tho ** s jaramillo在2012年gcep research symposium上給了題為《energy tutorial: electrocatalysis 101報(bào)告中有一幅非常有趣的圖片：

(圖片來自講座ppt）

催化分為五部分：

(1)生物催化（biocatalysts）。其研究重點(diǎn)是酶催化。

(2)均相催化（homogeneous catalysts）。其研究重點(diǎn)是過渡金屬配位化合物的催化活性。

（3）電催化（electrocatalysis）。其研究重點(diǎn)是開發(fā)針對電化學(xué)反應(yīng)的高效催化劑。

(4)異相催化（heterogeneous catalysis）。其研究重點(diǎn)是在不加電場的情況下開發(fā)高效催化劑。

（5）超高真空表面催化（uhv su ** ce science）。研究重點(diǎn)是表面結(jié)構(gòu)與催化活性的結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及異相催化理論體系的構(gòu)建。

催化的定義，ppt中有一段：

3. 電催化的復(fù)雜性——why is it so interesting and important?

當(dāng)然，我最感興趣的是中間的電催化（electrocatalysis）。電催化可分為(1)電催化(電極/溶液界面)(2)光催化（photoelectrocatalysis）：

(圖片來自講座ppt）

在復(fù)雜性方面，它也應(yīng)該是這五個分支中最復(fù)雜的。原因如下：

(1)固體(電極)/液體(電解質(zhì)溶液)/氣體(氣體擴(kuò)散電極)【固/液/氣】三相界面通常發(fā)生電催化反應(yīng)。

（2）改變電極上的電極電勢，電極/溶液界面雙電層的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)物/產(chǎn)品的自由能、吸附離子的吸附能和一些特性的平衡覆蓋會發(fā)生很大變化。butler-volmer我們知道這種影響是指數(shù)級的，所以輕微的電極電勢變化會有很大的變化。

（3）目前，電催化劑中優(yōu)質(zhì)催化劑的粒徑主要在納米尺度。理論上，納米尺度相對較大，給理論建模帶來了一定的困難。在實(shí)驗(yàn)中，由于納米相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)儀器的測量精度太小，許多儀器不能用于水溶液。制備納米粒子時(shí)，添加的化學(xué)物質(zhì)會吸附在納米粒子表面，調(diào)節(jié)表面空間（活性位點(diǎn)）。因此，它在理論/實(shí)驗(yàn)中都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

(4)反應(yīng)通常是多步和多質(zhì)子-電子轉(zhuǎn)移?？赡艿闹虚g態(tài)及其相應(yīng)的反應(yīng)路徑過多，給理論建模分析帶來了巨大的困難。例如，為了恢復(fù)甲烷（），必須添加8個質(zhì)子和8個電子：

一個可能的機(jī)制步驟是：

當(dāng)然，這只是恢復(fù)的可能性。還有很多其他的可能性：

等等。。。

因此，恢復(fù)是一個非常復(fù)雜的反應(yīng)。目前應(yīng)該是電催化領(lǐng)域的前沿研究方向。目前，人們廣泛關(guān)注如何為其制備良好的催化劑。

4. 我們到底要研究什么？

看george whitesides在一份報(bào)告中，他提到：it is very important to know what science should be done in a particular field. 也就是說，面對一個領(lǐng)域，你必須問自己：這個領(lǐng)域的關(guān)鍵問題是什么？然后我將簡要介紹我對電催化領(lǐng)域的關(guān)鍵問題的看法。

上一張電極/溶液界面圖：

（此圖來自nature materials,2017,16,58)

如果我們看整個反應(yīng)路徑，那么從反應(yīng)物a到產(chǎn)物b步驟如下：

（1）反應(yīng)物a擴(kuò)散到表面

（2）反應(yīng)物a可選:直接失電子/得電子(外球形反應(yīng))或吸附在表面(內(nèi)球形反應(yīng)，溶劑層重構(gòu))

（3）表面電催化反應(yīng)（一系列基元步驟、吸附物表面擴(kuò)散和不清楚的表面重構(gòu)）。每個基元步驟的活化能量和反應(yīng)速率。最終生成b(可直接脫附或仍處于吸附狀態(tài))

（4）b離開表面，通過傳質(zhì)運(yùn)輸?shù)襟w相中區(qū)

在這四個步驟中，第三步是整個電催化中最關(guān)鍵的。因此，為了更好地研究它，我們需要：

(1)原子層面的探測工具（stm、afm等待或更新設(shè)備)

（2）更好地描述電極/溶液界面（如何引入雙層？表面水層的作用如何？納米粒子上有機(jī)物的吸附會如何影響其催化活性？

（3）表面活性區(qū)域的概念。這個概念是原始活性位置的延伸。目前，催化劑不僅參與催化劑表面原子的反應(yīng)，而且周圍的溶劑和其他吸附劑也可能發(fā)揮反應(yīng)作用。有時(shí)，如果它與過渡狀態(tài)有很強(qiáng)的作用，它甚至可能發(fā)揮決定性作用。因此，如何理解這些效應(yīng)及其耦合（協(xié)調(diào)）的作用是未來電催化基礎(chǔ)理論研究的重要研究方向。當(dāng)然，這需要理論與實(shí)驗(yàn)的良好合作，從兩個方向共同研究，以便對電催化領(lǐng)域有更深入的理解。

(4)如何綜合調(diào)查表面活性區(qū)的數(shù)量和活性？如果催化劑的活性和選擇性得到提高，可選策略是什么？如何通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算定量反應(yīng)機(jī)制？(或重要指標(biāo)？