电催化剂的载体有哪些？

说明：电催化剂载体分碳基、非碳基及复合载体三类。碳基载体如碳黑、石墨烯等，具高导电性与可调结构；非碳基载体如金属氧化物、MXenes等，耐腐蚀性优；复合载体整合多相优势。

载体通过结构设计、缺陷工程等调控催化活性、稳定性，应用于提升单原子催化剂性能等场景。表征依赖XAS、HAADF-STEM等技术，未来聚焦高性能、规模化载体开发。

电催化剂的载体材料是影响催化性能的关键因素，其分类可基于化学组成与结构特征划分为碳基、非碳基及复合载体三大类，每类材料通过独特的物理化学性质调控催化剂的活性、稳定性与选择性。

DOI：10.1039/c6ra15057h

碳基载体材料因优异的导电性与可调结构被广泛应用，其中传统碳材料包括碳黑（如Vulcan XC-72）与介孔碳（MCs）：碳黑具有约250 m²/g的高比表面积与低成本优势，但其在强氧化环境中易腐蚀，导致负载的催化剂颗粒脱落，限制了在长寿命器件中的应用；介孔碳的孔径分布在2-50 nm，规则的孔道结构可优化传质路径，同时提升Pt等活性组分的分散度，使催化活性位点暴露率提高30%以上。

纳米碳结构是碳基载体的重要分支，碳纳米管（CNTs）凭借一维管状结构增强电子纵向传输，其表面对中间体的吸附能高于石墨烯，氮掺杂后的氧还原反应活性提高，这源于氮原子引入的缺陷位优化了O₂的吸附与活化。

石墨烯具有10³ S/m的超高导电性与2630 m²/g的理论比表面积，其片层结构可通过π-π相互作用抑制纳米颗粒的聚集，尤其在负载单原子催化剂（SACs）时，能提供稳定的锚定环境；碳纳米纤维（CNFs）的自支撑结构避免了粘合剂对活性位点的覆盖，在燃料电池中可减少界面电阻，使功率密度提升15%。

改性碳材料通过化学修饰进一步优化性能，杂原子（氮、磷、硼）掺杂可调控碳骨架的电子结构，如N-CNTs的ORR活性是未掺杂CNTs的4倍，源于氮原子诱导的局部正电荷密度增强了与O₂的相互作用；碳包覆复合物兼具无机核的机械强度与碳壳的导电特性，其中性表面可减少对酸性电解液的腐蚀，延长使用寿命。

DOI：10.1039/d3gc01822a

非碳基载体材料针对碳材料的腐蚀问题应运而生，金属氧化物是重要类别：钛基氧化物通过Nb、Ta等元素掺杂提升导电性，适用于质子交换膜电解槽的酸性环境；铈/锆氧化物因丰富的氧空位可增强金属–载体相互作用，当负载Pt时，氧空位可吸附并活化CO，减少CO对Pt活性位点的毒化，使抗中毒能力提升2倍。

过渡金属化合物具有类金属的导电性与催化活性，氮化物的电导率达10⁴ S/m，且在酸性条件下耐腐蚀性优于碳材料，可作为燃料电池的替代载体；碳化物因具有与Pt相似的电子结构，可直接参与H⁺的吸附与活化，在HER中表现出类Pt活性。

二维层状材料凭借独特的表面化学成为新型载体，MXenes的亲水表面可加速电解液中的传质过程，其表面硫空位能提升硝酸盐还原反应的活性；g-C₃N₄的富氮结构为SACs提供高密度锚点，Fe单原子负载后ORR半波电位可达0.89 V（vs RHE）。

有机聚合物载体中，导电聚合物具有良好的柔韧性与化学稳定性，在甲醇氧化反应中，PANI的质子传导能力可促进中间产物CO的氧化脱附，使催化剂循环稳定性提升50%。

DOI：10.1016/j.rechem.2024.101385

复合载体材料通过多相协同整合不同组分的优势，碳/氧化物杂化材料中，TiO₂的氧空位提供活性位点，石墨烯的高导电性加速电子传输，二者协同使OER过电位降低40 mV；碳/氮化物复合载体结合了TiN的耐腐蚀性与碳的高比表面积，在燃料电池中可降低氧传输阻力，使极限电流密度提升20%。

这些多样化的载体材料通过结构设计与化学修饰，为电催化剂的性能优化提供了丰富的调控维度。

DOI：10.3390/ma17071646

电催化剂载体的应用聚焦于解决稳定性、活性位点调控及性能优化等核心问题，通过结构设计与功能修饰，实现催化性能的定向提升。

高稳定性载体设计是应对苛刻反应环境的关键，传统碳载体在酸性或高电位下易发生氧化腐蚀，导致催化剂脱落，而非碳载体因化学惰性成为替代方案。

研究表明，TiO₂/WO₃复合载体通过形成稳定的金属–氧键，可抑制Pt颗粒的迁移与团聚，在加速应力测试中，其寿命是碳载体的3倍。

这种复合载体的协同效应源于TiO₂的氧空位与WO₃的质子传导能力，既增强了载体与催化剂的相互作用，又优化了界面传质，适用于PEM电解槽等酸性强、电位高的场景。

单原子催化剂（SACs）的载体应用中，二维材料因其原子级平整表面与丰富的配位位点成为主导，石墨烯、MXenes等可提供高密度的锚定位点，通过强金属–载体相互作用（SMSI）抑制单原子的迁移与团聚。

例如，Ti₃C₂Tₓ MXene负载的Fe单原子催化剂，Fe与MXene表面的S原子形成稳定的Fe-S键，在HER中表现出28 mV的低过电位，其活性源于SMSI效应调控的Fe d带中心优化了*H的吸附能。

此外，二维载体的高比表面积可最大化单原子的暴露率，解决了传统纳米颗粒催化剂活性位点利用率低的问题，使单位质量活性提升1-2个数量级。

DOI：10.3389/fchem.2023.1304063

缺陷工程与掺杂是通过载体改性提升催化活性的有效策略，氮掺杂碳载体通过引入吡啶氮、吡咯氮等活性位点，可显著优化ORR性能：氮原子的电负性高于碳，诱导周围碳原子产生局部正电荷，增强对O₂的吸附与活化，氮掺杂碳纳米管的ORR质量活性达商用Pt/C的8倍，且在甲醇存在下无交叉效应，适用于直接甲醇燃料电池。

氧空位富集的CeO₂载体在OER中表现突出，氧空位可作为活性位点参与O₂的生成过程，通过DFT计算发现，氧空位使*OOH的吸附能降低0.2 eV，过电位减少60 mV，这种缺陷调控策略可推广至其他氧化物载体，为OER催化剂设计提供通用思路。

载体的缺陷与掺杂不仅优化了电子结构，还可调节表面亲疏水性，如氟掺杂的碳载体可增强对电解液的润湿性，减少传质阻力，使电流密度提升15%。

DOI：10.15541/jim20190388

电催化剂载体的经典研究为载体设计提供了范式，论文“Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Arrays with High Electrocatalytic Activity for Oxygen Reduction”开创性地展示了碳基载体的掺杂改性潜力，其设计的垂直排列氮掺杂碳纳米管（VA-NCNTs）载体在ORR中表现出超越Pt/C的活性。

该载体的结构优势源于垂直定向的阵列形貌：有序排列的纳米管形成连续的电子传输通道，同时为电解液提供畅通的扩散路径，减少了电子与物质传输的阻力，使界面电阻比无序碳纳米管降低40%。

DOI：10.1126/science.1168049

氮掺杂的化学效应是活性提升的核心，XPS与DFT计算证实，吡啶氮、吡咯氮等掺杂构型在碳平面诱导产生局部正电荷密度，这种电荷分布优化了O₂的吸附能，促进了O₂的活化与还原。

性能测试显示，VA-NCNTs在碱性介质中的ORR电流密度达4.1 mA/cm²，是商用Pt/C的3.7倍，且在甲醇存在时无电流衰减。

该研究的意义在于首次证实无金属碳基载体可超越贵金属催化剂，开创了无金属电催化的新领域，其被引超5000次，推动了碳材料掺杂改性的研究热潮。

近年的延伸案例进一步拓展了载体设计的维度，Nano Research报道的Ti₃C₂Tₓ MXene负载单原子Fe催化剂，展示了二维层状载体对单原子活性的精准调控。

该载体的创新在于利用Ti₃C₂Tₓ表面的硫空位作为Fe原子的锚定位点，通过球差电镜（HAADF-STEM）与X射线吸收光谱（XAS）证实，Fe原子与周围3个S原子形成稳定的Fe-S₃构型。

DOI：10.1007/s12274-023-5739-2

DFT计算揭示，硫空位的引入使Fe的d带中心向费米能级移动0.25 eV，优化了H的吸附能，使HER过电位仅28 mV，优于多数非贵金属催化剂。

原位XAS表征证实，在反应过程中Fe-S键的键长保持稳定，说明载体与单原子的强相互作用抑制了Fe的迁移与团聚，使催化剂在1000次循环后活性保留率达92%。

该案例的价值在于将载体的缺陷工程与单原子催化结合，通过表面空位调控活性中心的电子结构，为高效HER催化剂的设计提供了“缺陷锚定–电子调控”的新策略。

这两个案例从不同角度展示了载体设计的核心思路：早期研究聚焦于宏观结构与化学掺杂对载体整体性能的优化，近年研究则深入到原子级的位点调控，二者共同推动了载体从“物理支撑”向“活性调控中心”的功能转变。

电催化剂载体的表征需结合多种技术手段，从结构、化学组成、电子状态到动态反应过程，全方位解析载体的特性及其与催化剂的相互作用，为性能优化提供实验依据。

原位X射线吸收光谱（XAS）是表征载体负载金属活性中心的核心技术，可通过扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）与X射线吸收近边结构（XANES）分析金属的价态、配位环境（配位数、键长）及电子状态。

高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）凭借原子级分辨率，可直接观察载体表面催化剂的分散状态，尤其适用于单原子催化剂（SACs）的表征。

X射线光电子能谱（XPS）用于分析载体的表面化学组成与掺杂类型，通过特征峰的结合能偏移推断电子转移情况。Brunauer-Emmett-Teller（BET）方法用于测定载体的比表面积与孔径分布，这对评估传质效率与活性位点暴露率至关重要。

原位拉曼光谱（Raman）可实时监测反应过程中载体表面的中间体吸附与结构变化。

这些表征技术的协同应用，从静态结构到动态过程，从宏观性能到原子级机制，构建了载体特性与催化性能的完整关联，为载体的理性设计提供了实验支撑。

DOI：10.1016/j.nanoen.2025.111330

电催化剂载体的发展正朝着高性能、多功能与规模化的方向推进，通过材料创新与机制探索，不断突破传统载体的性能瓶颈。

碳载体的替代是解决腐蚀问题的关键，高导电非碳载体因其优异的化学稳定性与导电性成为研究热点；此外，过渡金属氮化物与碳化物的复合结构可进一步优化耐腐蚀性与电子传输，在电解水领域显示出巨大潜力。

载体–催化剂的协同作用通过金属–载体相互作用实现反应路径的调控，是提升活性与选择性的核心策略。这种协同作用突破了单一催化剂的性能极限，为设计高效双功能催化剂提供了新思路。

规模化生产技术的开发是载体走向应用的关键，电纺丝技术可批量制备自支撑碳纳米纤维载体，通过调控纺丝参数可控制CNFs的直径与孔隙率，其生产效率达10 m/h，且无需后续成型步骤，直接作为电极使用，在锌–空气电池中功率密度可达200 mW/cm²；此外，溶胶–凝胶法与模板法的结合可制备有序介孔氧化物载体，实现孔径与比表面积的精准调控，满足不同反应的传质需求。

未来研究需进一步深化载体的原子级设计，通过理论计算预测载体缺陷、掺杂与活性中心的相互作用，指导实验合成；同时，开发兼具高稳定性、高导电性与低成本的复合载体，推动电催化技术在能源转化与环境治理中的实际应用。

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