什么是异质界面？
异质界面描述的是两种不同半导体之间的接触区域（界面）。由于不同组分的电子结构或带隙差异，异质界面处会产生一些特殊的物理化学特征。
多组分间有利的原子组合可以优化催化反应路径，增强反应动力学。异质界面分为三种典型类型：平面界面（planar interface）、横向界面（lateral interface）和层级界面（hierarchical interface），如图1所示。
图1. 三种异质界面类型及原子异质界面工程的特征效应。DOI: 10.1039/d1ee02105b。
平面和层级界面具有相对较小的接触面积，要尽可能多地形成异质界面作为催化中心，从而最大化目标吸附位点。另一方面，具有更大界面接触面积的横向界面显示出更强的电子和能带结构相互作用，广泛应用于光催化领域。
异质界面的协同效应
异质界面工程在催化中的重要作用主要归因于两种效应（协同效应和电子效应）。
协同效应基于异质结构的多组分特性，其中具有不同配位环境的桥连或互连吸附位点优化并加速了不同反应中间体的吸附过程，可为催化过程提供有利的反应路径，从而显著提高整体反应动力学。
电子效应反映了跨异质界面的多组分之间的电子相互作用，这是由它们的能带差异引起的。这种差异引起定向的电子传输，并在界面处产生电荷分布梯度。
电子富集和电子缺失状态共存于一个催化剂体系中，因此界面周围组分的能带结构发生改变，反应中间体的吸附能得到调节。电子效应通过耦合它们的电子构型来平衡反应中间体的吸附能。
异质界面的制备
根据合成化学环境可分为湿化学法、物理化学法和电化学法。这些方法的普遍和基本特征是它们的生长或转化速率相对较慢，使得通过调控制备参数能够精确控制目标界面的原子排列（图2）。
图2. 实现催化剂原子异质界面工程的先进合成策略。DOI: 10.1039/d1ee02105b。
湿化学合成
对于湿化学合成，构建异质界面的两种最常见策略是：第二组分在现有组分上的外延生长和特定模板材料的离子交换。通常，通过调控现有组分的化学状态，可以精细控制第二组分沿特定晶面的外延生长。
研究人员展示了一个异质界面模型，其中CdS纳米颗粒可以选择性地负载到 Bi2Se3纳米片的横向或基面位点上。Bi2Se3的表面原子组成影响了成核的热力学和动力学势垒。当Bi2Se3暴露富Se边缘时，倾向于在 Bi2Se3的（104）面和CdS 的（101）面之间制造平面异质界面（图3）。
图3. 通过密度泛函理论计算得出的不同原子模型。DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01464。
物理化学方法
物理化学方法如磁控溅射（MS和原子层沉积（ALD）技术在构建原子异质界面方面非常有效。ALD技术能够通过暴露表面与气态反应物之间的反应，在目标材料上生长超薄膜。通过调整ALD循环和前驱体，可以合理设计原子异质界面的组分和尺寸。
研究人员利用两步ALD过程中强金属–载体相互作用，在氮掺杂碳纳米管（NCNTs）上构建了原子耦合的 Pt-Ru二聚体。Pt和Ru原子在NCNTs的N位点附近可控键合，形成了所设计的Pt-Ru双金属结构（图4）。
图4. 氮掺杂碳纳米管上铂–钌二聚体的原子层沉积合成示意图。DOI: 10.1038/s41467-019-12887-y。
磁控溅射是另一种有吸引力的物理气相沉积技术。磁场控制电离的Ar原子轰击靶材，释放出反应性分子/原子，然后将其沉积在附近的基底材料上。
通过直流磁控溅射在CoO纳米棒上溅射了完美暴露活性（111）晶面的Pt纳米颗粒。溅射电流和时间用于精细调控界面原子排列（图5）。
图5. 单层SC CoO纳米线上的外延生长的铂纳米颗粒的示意图。DOI: 10.1002/adma.201604607。
电化学合成方法
电化学合成方法是构建原子异质界面的有效的策略。电化学电位差可以驱动不同电解质体系中电极材料的沉积或转化反应。许多具有可调化学成分的新型异质结构，这些结构通常难以用常规方法构建，但可以通过电化学方法轻松制备。
通过控制电化学循环，构建了具有可调金属–（氧）氢氧化物异质界面的核/壳 Pd/FeOx(OH)2-x催化剂。在0.5 M H2SO4电解质中，将电位控制在-0.4至0 V （vs. RHE）即可实现Pd/Fe（氧）氢氧化物的生成。该策略利用电化学去合金化和重构过程来实现原子异质界面工程（图6）。
图6. 钯纳米颗粒以及核/壳结构的钯/铁氧化物纳米颗粒透射电子显微镜图像。DOI: 10.1002/aenm.201701129。
【高端测试 找华算】
华算科技是专业的科研解决方案服务商，精于高端测试。拥有10余年球差电镜拍摄经验与同步辐射三代光源全球机时，500+博士/博士后团队护航，保质保量！
🏅已助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
