说明：本文华算科技主要介绍了界面工程的概念、分类与应用。界面工程基于界面科学，通过调控界面结构、成分、电子状态来优化材料性能。按物理形态、材料类型和应用可分为多种类别，通过构建异质结、引入缺陷和调控载体相互作用等策略，显著提升材料性能，是提升反应效率的关键手段。
界面是指两种或多种不同相态（固相、液相、气相）的物质相互接触时形成的具有一定厚度的过渡区域，通常为几个原子层到几十个原子层，它并非简单的几何分界面，而是一个结构、成分、性能均与相邻体相存在显著差异的特殊区域。
图1 催化剂-基底界面工程示意图，DOI：10.1016/S1872-2067(23)64571-1
从微观角度来看，界面区域的原子排列既不完全遵循体相的长程有序结构，也不呈现完全无序的状态，而是形成了独特的短程有序或准有序结构；成分上，往往存在元素的偏聚、吸附或化学反应产物的富集；性能上，则表现出与体相不同的力学、电学、光学、化学活性等特性。
界面工程是以界面科学理论为基础，通过采用物理、化学、材料等多学科的技术方法。
界面工程的研究核心可概括为三个层面：
一是“界面结构调控”，包括界面的几何形貌如粗糙度、孔隙结构、维度特性；原子排列如晶格匹配度、晶界类型；缺陷状态如位错密度、空位浓度等；
二是“界面成分调控”，包括元素的掺杂、合金化、吸附、接枝、化学反应修饰等，通过改变界面的化学组成的实现活性位点的构建或功能基团的引入；
三是“界面电子状态调控”，通过调控界面处的电荷分布、能带结构、电子转移效率等，优化界面的化学活性与能量传递性能。
图2 反向电流效应及梯度界面工程的设计示意。DOI：10.1021/jacs.5c17603
物理界面：固体–液体、固体–气体、液体–液体之间的接触面。
化学界面：涉及化学键合和吸附作用的界面。
生物物理界面：涉及生物分子与人工材料表面的相互作用。
图3 固体金属表面与本体液体之间发生相互作用示意图。DOI：10.1016/B978-0-12-818908-5.00003-2
可分为金属–金属、金属–陶瓷、金属–聚合物、陶瓷–聚合物界面工程。
金属–金属界面工程主要研究两种或多种金属材料接触形成的界面，常见于合金制备、金属焊接、金属基复合材料等领域。金属–金属界面的结合方式主要为金属键，其界面结构与性能取决于金属的晶格匹配度、原子扩散速率、氧化状态等因素。
例如，在异种金属焊接中，由于不同金属的熔点、热膨胀系数存在差异，易在界面形成脆性金属间化合物，导致焊接接头强度下降。
通过界面工程技术（如添加中间层、控制焊接温度与气氛）可抑制金属间化合物的过度生长，优化界面结合性能；在合金材料中，通过调控不同金属相的界面结构，可实现强度、韧性、耐腐蚀性等综合性能的提升。
图4 ZnO/Al2O3界面的分子动力学模拟结果。DOI：10.3390/met4030410
催化界面工程、传感界面工程、储能界面工程、防护界面工程等。
催化界面工程是指为优化催化反应性能而进行的界面设计与调控，其核心目标是提高催化反应的活性、选择性与稳定性，是界面工程在催化领域的核心应用形式。
催化界面工程通过构建特定结构与成分的催化界面，为反应物提供高效的活性位点，降低反应活化能，同时调控反应物与产物的吸附–脱附行为，提高反应选择性。
在催化领域，界面工程被视为提升催化剂性能的“终极武器”。催化剂的本质就是提供一个高效的反应界面，让反应物分子更容易发生碰撞并降低活化能。通过构建异质结构（Heterostructures）、引入缺陷或调控载体相互作用，可以显著改变活性位点的电子状态。
图5 应用于缺陷与界面工程中的策略示意图。DOI：10.1016/j.jechem.2021.06.012
异质结界面工程是当前最主流的界面调控策略之一。其核心在于将两种或多种不同材料，如金属-半导体、金属-碳材料等结合，形成具有协同效应的异质界面。例如，在析氢反应（HER）中，金属-载体的界面设计尤为关键。典型案例如 Pt 与碳基材料的复合，通过界面效应显著提升电子传输速率。
常见的异质结类型包括肖特基结和Ⅱ型异质结。在金属-半导体界面，由于费米能级重新对齐，会形成肖特基势垒，从而调控电荷传输方向。
在光催化中，构建合适的肖特基结（如 Pt/TiO₂）可使金属作为电子捕获中心，高效分离光生载流子。而对于半导体-半导体界面，Ⅱ型异质结的能带交错结构能够驱动电子和空穴分别流向不同组分，实现载流子的空间分离。这些模型为设计高效的光/电催化剂界面提供了清晰的能带理论指导。
此外，“界面限域催化”概念近年来也受到广泛关注，指在异质界面处构建的纳米或亚纳米尺度空间（如夹层、孔道、台阶等）内进行催化反应。这种限域环境不仅能稳定特殊的活性物种、改变反应物的传输与扩散行为，还可能诱发与开放表面不同的反应路径，进一步提升催化效率。
图6 WS2/W异质结结构合成示意图。DOI：10.1039/D5YA00022J
除了宏观的异质结，微观的缺陷也是重要的界面形式。研究表明，通过刻蚀或掺杂在催化剂表面制造空位，可以暴露出高活性的原子位点。例如，氮掺杂石墨烯负载钯纳米粒子（Pd/NHCN@NG）利用了独特的三维多孔结构和氮掺杂界面，显著提升了甲酸氧化的催化活性。
单原子催化剂（SACs）的成功极度依赖于金属单原子与载体界面（即锚定位点）的精准构筑。通过选择富含缺陷或特定官能团的载体，可以实现对单金属原子的强锚定和电子态调控。
图7 Cu@CoFe LDH纳米核壳结构的制备工艺。DOI：10.1039/D5YA00022J
金属-载体强相互作用（SMSI）是由 Tauster 等人在 1970 年代末提出的重要概念。最初他们发现，在高温还原条件下，负载于某些可还原性氧化物（如 TiO₂）上的贵金属纳米颗粒，表面会被一层源自载体的亚氧化物薄膜部分或完全包裹，从而显著改变其吸附与催化性能。
SMSI 效应不仅是简单的物理覆盖，更涉及金属与载体之间显著的电子转移，是界面电子调控与几何结构修饰协同作用的经典范例。该效应既能通过电子结构调变影响金属的催化活性，也可通过物理包覆提高金属颗粒的稳定性。需要注意的是，SMSI 对催化反应的促进或抑制效果具有高度敏感性，强烈依赖于具体体系和处理条件。
图8 金属载体–空气界面的相互作用。DOI：10.1016/B978-0-12-818908-5.00003-2
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