催化材料中的各向异性与各向同性特性：概念、结构与性能影响的系统对比

本文系统梳理了催化材料中“各向异性”与“各向同性”结构的概念、典型结构及其对催化性能的影响。各向异性结构因具备定向暴露的高活性晶面、载流子快速迁移通道和可调控的定向缺陷，能够实现对催化效率、选择性和耐久性的精准提升，尤其在二维材料和定向缺陷工程中表现突出。相较之下，各向同性结构以其高度均一、无方向依赖的特性，实现了活性位点空间分布的均匀性和反应性能的高度稳定，适用于大规模、长周期的工业催化。

各向异性

什么是各向异性（Anisotropy）

各向异性是指材料在不同方向上表现出不同的物理或化学性质。这种差异既可以体现在结构层面，比如原子的排列方式、晶面的暴露类型，也可以体现在性能层面，如电子传导、反应活性、机械强度等。在催化剂领域，材料的各向异性结构往往意味着其在不同方向上拥有不一样的催化特性，这为性能调控和精准设计提供了丰富的空间。

常见的各向异性结构

催化剂中常见的各向异性结构包括一维纳米线、纳米棒、纳米管，二维纳米片、层状材料，以及暴露特定晶面的纳米晶体。例如，氧化物纳米棒、金属纳米线、MoS₂等二维材料，以及通过晶面工程暴露出{100}、{110}或{111}等不同晶面的贵金属纳米粒子。这些结构在形貌、晶格排列、表面缺陷分布等方面都存在显著的方向性差异。

DOI: 10.1016/j.jechem.2022.04.015

各向异性结构的优势与特点

各向异性结构的最大优势在于可实现性能的定向优化和精准调控。由于材料在不同方向上具有不同的活性位点、表面能、缺陷浓度和电子结构，研究者可以通过合成控制特定方向的结构特征，从而提升催化效率。例如，特定晶面上活性原子的高密度分布，可以大幅度增加反应物的吸附和活化能力

一维或二维结构有利于反应物和产物的快速扩散与分离。此外，各向异性结构常常展现出独特的电子迁移行为和应变调节效应，有助于提升整体催化活性和稳定性。

各向异性对催化活性的影响

各向异性对催化活性的提升主要体现在三个方面：第一，暴露高活性晶面能增强反应物的吸附和中间体的稳定，从而降低反应势垒。例如，以Wu等人发表于Nature Communications（2021）的一项工作为例，研究者通过合成具有高度各向异性结构的Ru-Ir纳米珊瑚（RuIr-NC）催化剂，实现了酸性条件下高效且稳定的整体电解水催化。

该催化剂由厚度仅约3纳米的二维纳米片自组装形成珊瑚状结构，显著暴露出大量{0001}高指数晶面。与常规球形纳米颗粒相比，这种各向异性纳米片不仅极大提升了单位质量和表面积的催化活性，而且表现出极为优异的稳定性。

具体表现为，在相同电流密度下，RuIr-NC催化剂只需165mV的过电位即可驱动10mAcm⁻²的氧析出反应（OER），远优于球形Ru-Ir纳米颗粒和商用IrO₂催化剂。此外，原位谱学和高分辨电镜研究揭示，珊瑚状的各向异性结构能够有效抑制金属溶解和无序氧化物的生成，保障催化剂长期高活性和结构稳定。

DOI: 10.1038/s41467-021-20956-4

第二，方向性结构有利于载流子的快速迁移，提高了电子和空穴的分离效率，在光催化和电催化领域尤其明显。例如zhang等人通过助熔固相法合成了共暴露{101}和{001}晶面的Y₂Ti₂O₅S₂(YTOS)纳米片，实验和理论计算显示，不同晶面间的能级差造就了内建电场，从而驱动光生电子和空穴沿不同方向迁移。

具体来说，{101}面表现为电子富集的还原区，而{001}面则为空穴富集的氧化区。通过选择性光沉积共催化剂，进一步证实了载流子的各向异性迁移及其空间分离。借助表面光电压显微（SPV）和密度泛函理论（DFT）分析，发现该内建电场有效提升了电子-空穴分离效率，并与光催化产氢速率高度相关。在最优构型下，YTOS纳米片在可见光（420nm）照射下的表观量子效率高达18.2%。

DOI: 10.1021/jacs.3c12417

第三，定向缺陷工程能够调控材料表面的氧空位、金属位点等，提高催化选择性和耐久性。以有序氧空位通道的各向异性结构为例，最新研究发现，氧化亚铁钙钛矿类（如SrFeO₂.₅，Brownmillerite结构）可以通过外延生长手段精准调控氧空位通道（OVCs）的空间取向，进而实现对氧离子迁移行为的各向异性调控。

该研究利用原位透射电镜观测和第一性原理计算，揭示了不同取向的氧空位通道在氧迁移路径、能垒和反应中间态上的显著差异。当OVCs平行于界面时，氧离子需跨越FeO₆八面体层和FeO₄四面体层，扩散能垒较高，易形成稳定的SrFeO₂.₇₅中间相；而当OVCs垂直于界面时，氧离子则可直接沿空位通道迁移，能垒显著降低，氧迁移速率大幅提升。

这种定向缺陷结构不仅可选择性稳定不同电子结构和物相，还可通过动态调控氧空位的生成与愈合，实现对材料电子结构、催化活性与相变行为的精准调控。

DOI: /10.1038/s41467-023-40746-4

各向同性

什么是各向同性

各向同性（Isotropy）是指材料在所有方向上表现出相同的物理或化学性质。这意味着不论从哪个方向观察，材料的结构、性能和反应能力都是均匀一致的。在催化剂中，各向同性结构多见于球形纳米粒子、多晶材料、非晶态材料等，这类结构的活性位点分布和电子结构在空间中均匀，无显著方向性差异。

常见的各向同性结构

常见的各向同性结构有球形金属纳米粒子、球状氧化物、非晶材料（如无定形二氧化硅、非晶金属合金等）、均质分散的多孔材料等。这些材料因其结构的均一性，表现出在催化反应过程中较为稳定且一致的性能。

DOI: 10.1021/jacsau.3c00418

各向同性结构的优势与特点

各向同性结构的显著优点是性能均匀、工艺可控、可批量制备，易于在工业领域大规模应用。因为其各方向的物理和化学属性一致，所以反应过程中催化活性和选择性不会受到方向性的影响，这对催化过程的稳定性、可重复性和放大制备有很大帮助。此外，各向同性材料在反应中不容易出现局部过度活化、烧结或失活，通常具有较高的稳定性和使用寿命。

各向同性对催化反应的影响

各向同性结构凭借其高度均一和无方向依赖的特性，在催化剂设计中展现出独特优势。首先，结构各向同性确保了活性位点在空间中的均匀分布，使得整个催化体系在反应过程中表现出优异的稳定性和重复性。这对于大规模、长周期的工业催化过程尤为重要，能够有效降低局部失活和反应不均的问题。

非晶态或多孔球形等各向同性材料通常含有丰富的无序结构和大量暴露的表面位点，这有助于增强催化剂的整体活性，尤其适用于对位点类型要求不苛刻或需要高比表面积的反应体系。

DOI: 10.1016/j.cej.2022.140060

以Jeon等人发表于Chemical Engineering Journal（2023）的研究为例，作者通过喷雾热解法制备了一系列各向同性的Ni/Al₂O₃多孔蛋黄壳结构催化剂（porous yolk-shell Ni/Al₂O₃），并系统评估其在甲烷水蒸气重整反应中的催化性能及耐碱中毒能力。该催化剂表现为均一分布的多孔球形结构，显著提升了Ni的分散度和活性位点利用率。

实验结果表明，这类各向同性结构催化剂在高气体流速和碱性杂质存在的严苛条件下，依然能够保持极高的甲烷转化率（初始92.9%，24小时后87.5%），远优于常规商业Al₂O₃催化剂。此外，Ni/Al₂O₃多孔蛋黄壳催化剂对碱金属中毒和积碳表现出极强的抵抗能力，在长期高温反应下结构和性能依然稳定。

作者还指出，这类结构不仅便于大规模合成和实际应用推广，其各向同性、多孔性和结构稳定性为工业级催化过程提供了有力保障。综上，该研究充分说明了各向同性结构在催化剂稳定性、活性一致性和抗失活方面的重要价值，为实际工业应用中的催化剂设计提供了有力支持。

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催化材料中的各向异性与各向同性特性：概念、结构与性能影响的系统对比

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