界面调控：定义、策略与应用案例全解

说明：本文华算科技深入探讨了界面调控的多种策略及其在不同领域的应用。通过介绍掺杂、构筑应变、构筑异质结、引入空位等方法，文章展示了如何通过改变界面的结构和性质来优化材料的功能特性。同时，文章还详细阐述了界面调控在光催化和二维材料热传导等领域的具体应用案例。

什么是界面调控

界面调控指通过物理、化学或生物手段，主动改变材料、器件或生物体系中相界面的结构、成分及能量状态，以优化其功能特性的科学方法。其核心在于控制界面处的相互作用力（如静电作用、范德华力、化学键合），从而调控物质传输、能量转换或信号传递效率。

界面调控策略

掺杂是优化材料性能的一种有效策略。通过在催化剂中引入合适的掺杂元素，可以调控催化材料的电子结构，提升其电催化活性和稳定性。掺杂手段主要包括金属掺杂和非金属掺杂，金属掺杂能显著提高催化剂的导电性，优化催化剂的电子结构，增强对反应物界面的吸附能力，从而提高催化活性。

研究人员在苯甲胺（BA）电氧化合成苯甲腈的研究中通过Fe掺杂Ni₃S₂电催化剂，促进Ni-Fe之间电荷的协同作用，实现Ni、O杂化轨道增强。

Ni 3d与O 2p的电荷转移间隙减小，底物苯甲胺的-NH₂在电催化活性中间体NiOOH的吸附能垒降低，促进了其脱氢氧化的过程，随后相邻的C原子脱氢，最终激活C−N键生成C≡N键，实现了通过掺杂调控电极电子态，强化“界面–底物”过程（见图1 a、b）。

图1：（a）Fe-Ni₃S₂和Ni₃S₂自重构后BA电氧化的反应路径，（b）BA电氧化吸附中间体结构。DOI：10.1002/adfm.202301884.

构筑应变效应的核心机制源于两种不同金属间晶格常数的差异，这种差异引起金属晶格结构的畸变，产生拉伸或收缩效应，进而导致金属的d能带中心发生偏移。

研究人员通过十六烷基三甲基溴化铵调控纳米晶表面能和相转变活化能，成功制备了双相PdCu纳米晶，有序体心立方相（BCC）和无序面心立方（FCC）同时存在于PdCu纳米晶中，两个互相垂直的晶带轴方向存在较强烈的应变作用（见图2），其带来的强相互电子作用赋予了双相PdCu优异的甲酸电氧化活性。

图2：DP-PdCu（DP:双相）沿BCC[001]区轴的原子排列以及BCC[110]和FCC[020]平面之间界面的模拟原子模型。DOI：10.1007/s12274-021-3471-3.

电化学反应通常发生在界面处，构建异质结结构能够通过调控界面电场促进电子的转移来提高催化活性，异质界面的增加能够促进活性位点的增加，为反应物的吸附和反应提供了更多机会。

研究人员以模板法及低温磷化处理合成了MoO₂-FeP异质结组成的多孔纳米纺锤体MoO₂-FeP@C，异质结的形成导致MoO₂和FeP之间的电子再分布，电子从MoO₂向FeP转移，在FeP上积累，空穴在MoO₂上积累。

MoO₂的空穴积累促进了氧化反应的发生（见图3 a、b），以5-羟甲基糠醛（HMF）为生物质底物，转化率几乎为100%，得到2，5-呋喃二甲酸（FDCA）的选择性为98.6%。

图3：MoO₂-FeP@C和FeP@C的（a）Fe 2p（b）P 2p的XPS谱图。DOI：10.1002/adma.202000455.

引入空位对电氧化反应具有显著的催化效应。空位可以改变表面电子结构，降低反应物吸附能，促进电荷转移过程，从而加速氧化反应的进行。同时，空位的引入有助于提升催化剂的稳定性，因为它们能有效抑制催化剂表面的积碳或副产物的积累，减缓催化剂的失活。

材料的电子结构与底物分子轨道匹配，可优化电子转移路径，加快动力学过程；通过调节吸附强度和中间体稳定性，增强目标产物选择性。

研究人员提出利用MnO₂自旋不对称的电子结构来歧化、裂分苯乙烯乙烯基的成对π电子，使两个自旋相反的π电子在能量上裂分，削弱了苯乙烯稳定的共轭体系，同时能量升高的电子更易于ROS结合，通过后续的Grob裂解反应获得苯甲醛（见图4 a）。

图4：MnO₂和RuO₂分别用于活化苯乙烯乙烯基和产生ROS示意图。DOI：10.1039/d2sc05913d.

界面调控的应用

光催化效率取决于3个关键决定因素：光吸收能力、光生电荷分离与迁移和界面催化反应。MXenes在光催化过程中可以促进电荷分离和转移，提供光催化活性位点，提高反应物的吸附。

研究人员采用静电自组装法制备了一种三元异质结光催化剂a-TiO₂/H-Ti0₂/Ti₃C₂（MXTi）。由于界面工程和MXene片层间的协同作用，MXT具有较宽的光吸收范围和有效的载流子传输能力，其光催化析氢速率可达0.387mmol h^-1，催化原理如图5所示。

图5：助催化作用和MXTi界面工程示意图。DOI：10.1002/smtd.202300627.

面内热导率优化—石墨烯：层数增加导致热导率下降，单层可达751 W/（m·K），三层降至500 W/（m·K）。如图6a所示，由界面耦合导致的三声子散射过程的增加抑制了少层石墨烯的面内热传导。

石墨烯的热导率还受到晶格组成的影响，同位素组成的变化会改变晶体晶格的动力学性质，并影响其热导率。

研究人员发现随着¹³C丰度的变化，石墨烯中的声子色散会因平均原子质量的变化而发生轻微改变。如图6 b所示，¹³C掺杂比例为50%的石墨烯样品的热导率最低，此时两种同位素均匀混合，导致了最大的同位素散射。

图6：（a）石墨烯的层数与面内热导率相关性的理论预测；（b）同位素对石墨烯面内热导率的影响。DOI：0.6023/A21120616.

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