说明：电催化领域性能优异的催化剂材料多样，包括单原子催化剂、MOFs及其衍生材料、LDHs、过渡金属磷化物/硫化物、氮掺杂碳基材料、高熵合金、缺陷工程材料等。
它们在低过电位、高法拉第效率、高稳定性及产物选择性等方面表现突出，通过结构设计、成分调控等策略优化性能，为能源转化、碳循环等领域提供关键支撑，推动电催化技术发展。
分类及性能
电催化核心材料作为能源转化与存储领域的关键组成部分，其研究进展在近年顶刊中得到了广泛而深入的报道，这些材料的性能突破集中体现在低过电位、高法拉第效率（FE）、高稳定性及产物选择性等核心指标上，为可持续能源技术的发展提供了坚实的材料基础。
单原子催化剂（SACs）凭借原子级分散的活性位点实现了催化效率的最大化，成为电催化领域的研究热点之一，其中Fe-N-C体系在氧还原反应（ORR）中展现出替代传统铂基催化剂的巨大潜力，这一优异性能源于Fe单原子与氮掺杂碳基底之间的强相互作用，有效优化了氧中间体的吸附与脱附能垒。
而硫掺杂Fe-N-C通过精准调控电子结构，将带隙降低，显著提升了电子转移效率，同时增强了ORR过程中的稳定性，解决了单原子催化剂在长期运行中易团聚的问题。
在CO2还原反应（CO2RR）中，双金属协同位点通过协同作用优化*CO中间体的吸附能，有效促进C-C耦合过程，例如Ni-Cu双原子位点在生成C2⁺产物时的法拉第效率高达86.14%，为高附加值碳基燃料的电催化合成提供了新路径。
此外，磷掺杂铜单原子催化剂（Cu-N3P1@NC）通过独特的配位结构设计，在电有机合成中实现了喹唑啉酮的高效还原，展现出优异的底物普适性和循环稳定性。
而动态结构演变研究揭示，Cu-N-C单原子催化剂在电化学条件下会因H和CO的协同吸附发生Cu原子的脱嵌与团聚，形成的Cu团簇可进一步促进C2产物生成，通过调控电位和电解质pH则能有效抑制Cu的溶解，从而优化产物选择性，为单原子催化剂的动态调控提供了理论依据。
DOI：10.20517/energymater.2023.67
金属有机框架（MOFs）及其衍生材料凭借可精确调控的多孔结构和超高比表面积，在电催化领域展现出独特的优势，COF@CoPor体系在CO2电还原制CO的过程中，法拉第效率高达99.8%，这一卓越性能源于共价有机框架（COF）的有序孔道结构与钴卟啉（CoPor）活性中心的协同作用，既保证了反应物的高效传质，又最大化了活性位点的利用率。
MOF衍生氮掺杂碳材料在氧析出反应中表现出优异的性能，过电位仅为270mV@10mA/cm2，且稳定性超过100小时，其性能优势源于MOF热解过程中形成的多孔碳骨架与金属纳米颗粒的协同效应，碳骨架提供了良好的导电性和结构稳定性，而金属纳米颗粒则作为活性中心加速反应进程。
缺陷工程在MOFs及其衍生材料中的应用进一步提升了催化性能，通过引入氧空位或杂原子（N、S、P），不仅增强了材料的导电性，还显著增加了活性位点的暴露数量。
例如山东大学吴昊教授团队通过有机酸刻蚀策略实现了MOFs与导电集流体的共价键锚定，重构后的γ-NiFeOOH活性相在OER中过电位低至130mV，且连续测试144小时性能无明显衰减，展现出工业化应用的潜力。
上海硅酸盐所开发的多酸接枝MOF在碱性水氧化中表现出超高稳定性，在2A/cm2电流密度下连续运行5140小时，衰减率仅为0.02mV/h，其稳定性源于多酸基元的氧化还原特性和独特的应力–电子双层稳定机制，为高电流密度下的电催化反应提供了稳定的材料支撑。
DOI：10.3390/ma16041630
层状双氢氧化物（LDHs）因其独特的层状结构和可调变的化学组成，在多种电催化反应中表现优异，CoFe LDH在硝酸盐电还原合成氨（NH3）的过程中，实现了0.93mmol・h-1・cm-2的高产率和97.68%的法拉第效率，其高选择性归因于层间阴离子与表面活性位点的协同作用，有效抑制了竞争性反应的发生。
NiFe LDH作为经典的OER催化剂，在1M KOH电解质中过电位为290mV@10mA/cm2，Tafel斜率低至40mV/dec，通过硫掺杂表面重构策略，能够动态优化OER过程中中间体的吸附能，显著提升催化动力学性能。
南京大学李朝升课题组设计的CoFe-LDHs通过层间引入CO32-和表面锚定石墨烯量子点（GQDs），有效抑制了海水中Cl⁻引起的结构坍塌，在1.25A/cm2电流密度下稳定运行2800小时，OER选择性接近100%，为海水等复杂体系中的电催化应用奠定了基础。
广西大学李静副教授团队开发的LDHs-VB3–缓蚀剂体系，则通过氯离子交换和表面吸附作用，显著提高了钢筋在含Cl⁻环境中的耐腐蚀性，其缓蚀机理涉及VB₃⁻的可控释放、表面吸附以及电子转移调控，拓展了LDHs材料在腐蚀防护领域的应用。
DOI：10.1002/aenm.202202522
过渡金属磷化物/硫化物因其优异的导电性和催化活性，在水分解和能源存储领域备受关注，Ni2P作为双功能水分解催化剂（HER/OER），全解水电压仅为1.63V@10mA/cm2，稳定性超过50小时，其性能优势源于磷化物的高电导率和双金属协同效应，能够同时优化HER和OER过程中的反应路径。
MoS2基催化剂通过边缘位点工程显著提升酸性HER活性，过电位可控制在100mV以下，边缘硫位点的高活性是其性能提升的关键，通过调控层间距离和引入缺陷，能够进一步增加边缘位点的暴露数量。
高熵合金硫化物（如NiCo2(O-S)4）在锂硫电池中展现出优异的性能，能够加速多硫化物的转化，面积容量高达8.68mAh・cm-2，其性能得益于多金属协同作用和高熵效应引起的电子结构优化，有效降低了多硫化物转化的能垒。
宁波材料所开发的Ni2P-Fe2P纳米异质结材料，在HER和OER中均展现出超低过电位和快速动力学响应，其优异性能源于表面自适应钝化机理和界面协同传质效应，异质结界面的电子转移能够动态优化活性位点的电子状态，适应不同反应阶段的需求。
DOI：10.1016/j.susc.2024.122648
氮掺杂碳基材料通过杂原子掺杂和多孔结构设计，在ORR等反应中表现出超越传统贵金属催化剂的性能，垂直排列的N-CNTs的ORR性能超过商业铂碳电极，电流密度达4.1mA/cm2@-0.22V，其高活性归因于垂直结构带来的高导电性和高密度活性位点，同时有利于反应物和产物的快速扩散。
硼氮共掺杂碳材料实现了酸性/碱性双功能ORR催化，半波电位差值小于30mV，硼氮协同效应能够精准优化氧中间体的吸附能，适应不同pH条件下的反应需求。
MOF衍生多孔碳材料具有超过1000m2/g的比表面积，能够提供高密度的活性位点，清华大学李淼副教授团队开发的Fe@N₁₀-C催化剂在硝酸盐还原中实现了99.7%的氨选择性，其高选择性源于氮掺杂碳与铁纳米颗粒的协同电子转移，有效调控了反应中间体的转化路径。
北京理工大学开发的氮磷掺杂碳基催化剂，则通过优化吡啶型和石墨型氮的含量，显著提升了ORR活性和稳定性，其合成方法涉及硬模板技术和高温热解调控，为杂原子掺杂碳材料的可控制备提供了新策略。
DOI：10.1016/j.molliq.2025.127451
高熵合金（HEAs）通过多组元协同和动态调控机制实现了催化性能的突破，FeCoNiMg等多组分合金在OER中过电位为240mV@10mA/cm2，在200mA/cm2高电流密度下稳定性超过120小时，其性能源于高熵效应引起的晶格畸变和电子结构优化，多组分之间的协同作用能够有效降低反应能垒。
通过碳热冲击法构建的原子级分散HEA位点，使硝酸盐还原制氨活性提升3倍，其活性增强归因于多金属位点的协同吸附和电子转移，显著提高了反应动力学。
北京科技大学吕昭平/刘雄军团队开发的双层纳米结构高熵合金，通过外层非晶态高熵氧化物层提升催化活性，内层NbOx则能动态补充外层Nb元素的溶解，在500mA/cm2下稳定工作1600小时，实现了活性与稳定性的完美平衡。
华中科技大学于海滨教授团队设计的高熵合金通过激活晶格氧参与OER过程，突破了传统金属位点吸附机制的限制，形成了Ni-Co双活性中心，显著降低了O-O键形成的能垒，为高熵合金催化剂的设计提供了新的反应机制视角。
DOI：10.1038/s41467-024-53427-7
缺陷工程材料通过引入氧空位、硫掺杂等缺陷，有效优化了电子结构和活性位点暴露，氧空位增强型CoFe LDH在氨合成中展现出98.93%的选择性，氧空位的存在能够显著增强对硝酸盐中间体的吸附，促进还原反应的进行。
硫掺杂石墨烯在可见光下的产氢速率提升8倍，硫掺杂诱导的局域电场增强了光生载流子的分离效率，延长了载流子寿命。
多孔硼碳氮纳米片在酸性ORR中半波电位达0.81Vvs.RHE，其高活性源于多孔结构提供的高比表面积和硼碳氮之间的协同效应，有效优化了ORR过程中的电子转移。
西南交通大学陈元正课题组的研究发现，Cu-N-C单原子催化剂在电化学条件下因d⁹电子构型和外加电压敏感性会发生动态结构演变，质子转移和电子重排导致Cu-N键弱化，这一机制为设计高稳定性单原子催化剂提供了重要的理论指导，通过调控配位环境和电子状态，有望进一步提升催化剂的稳定性。
DOI：10.1021/acsenergylett.6b00602
电催化核心材料的研究通过结构设计、成分调控、缺陷工程等多种策略，在低过电位、高法拉第效率、高稳定性及产物选择性等方面取得了显著进展。
这些材料体系各自展现出独特的优势和应用场景，单原子催化剂的原子级利用率、MOFs及其衍生材料的结构可调控性、LDHs的层间协同作用、过渡金属磷化物/硫化物的双功能催化特性、氮掺杂碳基材料的低成本高稳定性、高熵合金的多组分协同效应以及缺陷工程材料的电子结构可调控性，共同推动了电催化领域的发展。
这些研究不仅深化了对催化反应机理的理解，还为可再生能源转换（如燃料电池、电解水）、碳循环利用（如CO2还原）、氨合成等领域提供了关键材料支撑。
未来的研究需要进一步聚焦于动态催化过程的原位表征，揭示催化剂在工作状态下的结构演变规律，开发更高效、稳定且成本低廉的电催化材料体系，同时探索材料在实际器件中的集成应用，以加速清洁能源技术的商业化进程，为实现“双碳”目标和可持续能源体系构建提供坚实的材料基础和技术支撑。
高熵合金高效催化NitRR
DFT理论计算揭示高熵合金（HEA）基催化剂的硝酸盐还原反应（NitRR）机制及优化催化性能方面发挥了关键作用。
研究团队首先通过DFT计算评估了多种单金属（Fe、Co、Ni、V、Ag、Pd、Cu、Ru、Zn、Sn）上NitRR的反应自由能及中间体的吸附构型，发现单金属表面的中间体吸附能存在典型的线性标度关系，导致氢化成能垒难以同时优化，这为后续设计打破标度关系的催化剂提供了理论依据。
DOI：10.1038/s41467-024-53427-7
针对单相高熵合金（HEAₕₒₘₒ），DFT计算表明其能同时提供对NO弱吸附的位点和对NOH强吸附的位点，显著降低了NO氢化的能垒，证明HEA可通过调节不同中间体的吸附强度打破单金属的固有线性关系。
进一步计算发现，HEAₕₒₘₒ上的NO₃⁻氢化是吸热过程，需两个金属原子稳定NO₃吸附，其中Ag-Ag位点的能垒最低，且H原子与NO₃⁻间的电子转移量最高，但HEAₕₒₘₒ中元素的随机分布难以提供足够的Ag-Ag位点，因此设计了FL-Ag/HEA结构以调控表面Ag-Ag位点比例。
为分析定制化FL-Ag/HEA催化剂的特征，研究通过结合能分布模式（BEDP）进行DFT计算，结果显示单金属仅具有单一吸附位点，无法满足NitRR中所有中间体的吸附需求。
HEAₕₒₘₒ的表面分布提供了较宽的吸附能范围，而FL-Ag/HEA通过精确控制体系熵值，增加了关键步骤中高活性位点的数量，进一步打破标度关系以提升催化活性。
DFT计算还揭示了FL-Ag/HEA上的接力催化机制：FL-Ag上的NO₃氢化能垒低于HEAₕₒₘₒ，但Ag位点上NO氢化需较高能垒，而相邻的Pd位点上NO氢化是自发放热反应。
这意味着NO在FL-Ag上生成后，会迁移至HEA-FL-Ag界面的Pd位点完成后续氢化及NH₃脱附过程。同时，计算表明HEA相中的Fe位点是析氢反应的主要活性位点，可提供NitRR所需的H⁺，而FL-Ag利用游离H⁺促进NO₂/NO中间体生成，两者协同实现高效催化。
在计算方法上，采用VASP软件，基于投影缀加波（PAW）赝势和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函描述电子交换关联，设置520eV的截断能，能量和力的收敛标准分别为10-6eV和0.05eV/Å，并引入DFT-D4校正考虑范德华相互作用及自旋极化。
以（111）表面为模型，采用3层金属厚的周期性slab模型，层间真空厚度20Å，优化吸附质及slab最外层两层原子，K点采样为2×3×1。
反应自由能计算考虑能量变化、零点能、熵变及电极电势的贡献，通过气相HNO3、H2和液态H2O拟合NO3⁻和OH⁻等离子的能量，并提供了各中间体的电子能量、ZPE及熵贡献数据，为NitRR、HER及两者耦合过程的自由能分析奠定基础。
此外，DFT计算与原位表征结果一致，证实FL-Ag与HEA基底的协同作用通过几何分离的活性位点调控多中间体吸附与转化，从而实现高法拉第效率、高NH₃产率及长期稳定性，为高熵合金催化剂突破标度关系限制提供了理论支撑与设计思路。
DOI：10.1038/s41467-024-53427-7
总结
近年电催化材料研究正经历从单一活性位点向多组分协同、动态表面重构及原子级精准调控的范式转变，而实现“高效–稳定–低成本”三位一体目标仍面临多重关键挑战与突破方向。
在核心科学问题层面，活性与稳定性的平衡尤为关键，高电流密度下材料的结构演变机制亟待深入解析，这是保障催化剂在工业级工况下持续高效运行的基础；规模化制备方面，MOF/COF材料的大规模合成及其与电极的集成技术仍是制约其实际应用的瓶颈，需突破现有合成方法的效率与成本限制；原位表征技术的发展同样至关重要，需进一步完善时间/空间分辨原位谱学手段，以精准捕捉动态反应界面的结构与电子状态变化，为机理认知提供直接实验证据。
此外，机器学习辅助设计通过高通量筛选多组分催化剂的活性描述符，正成为加速新材料开发的重要工具，可大幅缩短研发周期。
具体研究进展中，单原子催化剂与高熵合金的融合实现了活性位点的原子级分散与多组分协同效应的结合，MOF衍生材料的缺陷工程通过精准引入空位或杂原子优化了电子结构与活性位点暴露。
阴离子掺杂诱导的层状双氢氧化物（LDHs）表面重构则动态调控了反应中间体的吸附能，这些技术路径共同推动电催化材料向更高性能、更优稳定性及更低成本的方向迈进，为能源转化与存储技术的工业化应用奠定了重要基础。