异质结构催化剂：界面工程与协同增效机制

总结：本文华算科技系统介绍了异质结构催化剂的概念、类型与优势。异质结构催化剂由两种或多种材料组成，在界面处形成独特的电子结构和活性位点，因而表现出远优于单一组分的催化性能。

文章重点阐述了几类典型体系，如半导体–半导体、金属–氧化物、金属–碳基及金属–金属异质结构，并结合最新研究案例说明其在能带调控、界面协同效应、载流子分离、热稳定性与反应选择性等方面的显著优势。

通过界面工程和材料组合，异质结构不仅能提升催化活性，还能延长稳定性并优化选择性。该综述为理解异质结构催化剂的设计原理和应用前景提供了有力参考。

异质结构催化剂是指由两种或多种不同材料组成、并在微观尺度形成清晰界面的复合催化体系。通俗地说，就是“异质材料”叠加在一起，界面处材料的电子结构、能带排列等发生重组。

各组分的原有功能以及界面相互作用共同决定了异质结构材料的整体性质。相比单一组分催化剂，异质结构可协同整合各组成的优势，并在界面处产生新的活性位点和电荷分布，从而显著改变其催化性能。

研究背景上，早在半导体物理领域已有“异质结”理论，近年来这一思路被引入催化领域。通过构建多组分界面，研究者发现异质结构催化剂往往表现出优于单一组分的活性、稳定性和选择性，使其成为能源转化与环境治理等领域的关键设计理念。

DOI: 10.1080/14686996.2022.2125827

异质结构催化剂的常见类型

半导体–半导体异质结：如TiO_2/g-C₃N₄、CdS/ZnS、BiVO₄/WO₃等。不同半导体叠合可扩展光吸收范围并形成能带对齐，有助于光生载流子的分离与迁移。例如，二维TiO₂与石墨相氮化碳构成异质结后，其光电流明显增强，催化产氢效率远胜于单独TiO₂或单独g-C₃N₄。

金属–氧化物异质结构：金属纳米粒子（或簇）分散在金属氧化物表面或多相金属/氧化物混合，如Pt/TiO₂、Au/CeO₂、Co₃O₄/NiO等。这类异质结构中，金属提供高活性位点，氧化物则可稳定金属、参与电子转移并提供额外活性。

例如，CoO–Mo₂N中CoO相促进水分子的裂解，Mo₂N相提供优异导电性，两者组合形成界面后显著改善了电催化析氢性能。

DOI: 10.1038/s41427-019-0177-z

金属–碳基异质结构：金属（如Pt、Ni、Fe等）分散于碳材料（如石墨烯、碳纳米管、富氮碳等）上，或者金属与碳化物、氮化碳等混合。碳基材料具有高导电性和大比表面积，金属纳米团簇作为活性中心。典型如Pt/活性炭、NiₓFe₁–ₓ-CoP/g-C₃N₄、Fe–N–C/MXene等。

金属–金属异质结构：指两种或多种金属（或合金、金属纳米团簇）构成的界面，例如合金（如PtNi、PdCu）、负载型金属簇（如单原子与纳米团簇共存）以及高熵合金体系等。Zeng等在高熵合金(PdSnFeCoNi)中通过退火引入超细PdSn簇，形成HEA/PdSn异质结构，显著提高了乙醇氧化活性。

异质结构的性能优势

异质结构催化剂相比单一组分具有多方面优势，其主要机制与近年高水平研究结果相吻合，归纳如下：

电子结构调控：异质界面处不同材料的能带、费米能级发生重排，形成新的电子结构。这种重排能够优化催化剂表面对反应物和中间体的吸附能，从而降低反应能垒。

比如，在Pd/PdBOₓ异质结构中，Pd的d轨道与BOₓ的B、O轨道发生强杂化，使甘油及其中间体在催化表面的吸附更合理，促进了对C–H键的活化，显著降低了反应的速率决定步骤能垒。该研究表明，通过界面电子相互作用调节吸附性质可直接提升催化反应活性和路径选择性。

DOI: 10.1126/sciadv.adw4927

界面协同效应：不同材料在界面处能够产生协同作用，互补各自催化步骤。如两相中一相促进反应物活化，另一相负责产物脱附，或者产生电荷转移的内建电场，从而整体性能超越两者之和。

Zeng等构建的HEA–cPdSn异质结构中，HEA合金提供多功能活性位点，PdSn簇强势加速C–C/C–H键裂解，两者在界面上协同作用，使乙醇氧化的限制电位降低，性能比随机HEA高出5–10倍。

此外，2D超晶格异质结构也被证明具有独特优势：其交替堆叠的界面相互作用可进一步调控电子结构并最大化协同效应，同时提供多功能活性位点。

DOI: 10.1038/s41467-025-58495-x

载流子分离效率提升：对光催化和光电催化而言，异质结可建立内建电场或ZS 势垒，有效促进电子–空穴分离，减少复合损失。实验上观测到，TiO₂/gC₃N₄异质结体系产生更高的瞬态光电流，表明光生电子空穴分离效率大幅提高，从而显著增强了光生氢产率。

类似地，在电催化水分解中，NiFeLDH/缺陷石墨烯异质界面可将NiFeLDH析氧活性与石墨烯析氢活性结合，由于界面电荷分离导致电子在界面大量积累，该异质结构展现出卓越的OER和HER双功能性能。

DOI:10.1002/ smll.201704073

热稳定性增强：异质结构常通过界面或支撑作用提升催化剂的热/化学稳定性。一方面，稳定相可抑制活性相烧结或团聚；另一方面，强界面结合也阻止活性位点流失。例如，NiO/gC₃N₄异质结构中，石墨相氮化碳的高机械稳定性有效支撑了NiO颗粒，使复合材料在碱性电解中保持了更持久的催化性能，而单一NiO则迅速失活。

通常，将活性相负载于稳定的载体（如石墨烯、MXene、氮化物基体等）形成异质界面，可在高温或腐蚀环境下保持结构完整性，从而提高催化剂的循环稳定性。

DOI:10.1002/adfm.201904020

反应选择性优化：异质界面的电子效应和空间结构可改变反应路径，提高目标产物的选择性。例如在酸性甘油氧化中，PdBOₓ@Pd异质结构催化剂通过界面上的强电子交互作用优化了脱氢步骤的反应能垒，使甘油直接向甘油酸方向转化的几率大幅提升，甘油酸的选择性在几乎完全转化条件下达到73.5%。

这说明合理设计的异质界面可以通过调节反应中间体的吸附/活化过程来增强反应物向期望产物的转换效率。

DOI: 10.1126/sciadv.adw4927