说明：本文华算科技介绍了负载与掺杂的概念、作用原理及核心区别。负载是将功能性物质附着于载体表面或孔道内，通过界面作用调控表面性能；掺杂是将异质元素融入基体晶格，改变本征性能。二者在结构、作用机制、性能影响、制备条件和稳定性上存在显著差异。
材料改性的核心目标是通过引入外来物质，调控材料的物理、化学或力学性能。负载与掺杂的本质差异，首先体现在外来物质与基体材料的结合形式及存在状态上。
负载是指将一种或多种功能性物质通过物理或化学作用，固定在具有高比表面积的载体材料表面或孔道内的改性技术。其核心特征是：负载物与载体之间以非化学计量的界面作用结合，未发生原子级别的晶格融合，载体的晶体结构基本保持完整。
从材料结构来看，负载物通常以纳米颗粒、薄膜、簇合物等形式存在于载体表面，二者构成“主体–客体”的复合体系。
如图1，HAADF-STEM 显示 Pt1Ni1@Pt/C 纳米颗粒以“颗粒—载体”方式分散并固定于碳载体上，体现负载改性以界面相互作用实现承载，而非掺杂式晶格融入。
图1：负载（Loading）的典型形貌证据：Pt 基纳米颗粒锚定在碳载体表面。DOI： 10.1038/s41467-024-53808-y
掺杂是指在基体材料的制备过程中，将少量异质元素以原子级别的形式融入基体晶格结构中的改性技术。其核心特征是：掺杂剂与基体形成固溶体，基体的晶格结构发生轻微畸变，但整体晶体结构类型保持不变。掺杂的关键在于“原子级融入”，掺杂剂含量通常较低，且需与基体材料具有一定的晶格匹配度。
图2展示在前驱体阶段引入掺杂元素（如 Nb / Re），随后经转化过程使掺杂原子在最终晶体结构中实现取代型掺杂，从而从根本上改变载流子类型与能带性质。
图2：掺杂（Doping）的本质：掺杂原子进入并取代晶格位点，实现原子级固溶改性。DOI： 10.1038/s41467-024-54050-2
负载与掺杂的改性效果，源于其截然不同的作用原理：负载依赖界面相互作用调控表面性能，掺杂依赖晶格结构调控本征性能。
负载的核心原理是通过载体与负载物之间的界面相互作用，稳定负载物的存在状态，并优化其功能特性。界面相互作用的类型决定了负载体系的稳定性和性能，主要分为以下三类：
（1）物理吸附作用：通过范德华力实现负载物与载体的结合。该作用强度较弱，负载物易在高温或反应条件下脱落，适用于温和条件下的短期应用场景。
如图3中分子催化剂→ 通过弱相互作用固定在碳纳米管表面，依靠 π–π/范德华即可实现负载与分散。
图3：物理吸附型负载的典型示例：分子 CoPc 催化位点在碳纳米管载体上的非共价锚定与分散。DOI：10.1038/ncomms14675
（2）化学吸附作用：通过负载物与载体表面的官能团形成化学键实现结合。该作用强度高，负载体系稳定性好，是工业催化、储能等领域的主流负载方式。
如图4，展示 Pt 原子与载体位点形成强界面相互作用，从而实现高分散与高热稳定的负载结构。
图4：化学吸附/强锚定型负载：单原子 Pt 在介孔 Al₂O₃ 表面位点的稳定锚定示意。DOI：10.1038/ncomms16100
（3）空间限域作用：载体的孔道结构对负载物形成空间限制，可有效抑制负载物颗粒的团聚，提升其分散度和尺寸均一性。
如图5，（低 Pt 负载）中 Pt 主要位于 MCM-22 晶内限域空间，易在温和条件下实现再分散；（高 Pt 负载）外表面 Pt 更易在还原过程中团聚长大，体现孔道限域对尺寸稳定与均一性的关键作用。
图5：空间限域负载抑制团聚的机制示意。DOI：10.1038/s41467-018-03012-6
掺杂的核心原理是通过掺杂剂原子融入基体晶格，改变基体的电子结构、晶格缺陷及理化性质。其作用机制主要分为以下两类：
（1）电子结构调控：掺杂剂原子与基体原子的价电子数差异，会在基体晶格中形成电子或空穴载流子，从而改变材料的导电性、半导体类型等电子性能。
如图6，p 型与 n 型掺杂分别引入受主/施主特征，导致载流子类型与浓度改变，并引起费米能级在能带中的相对位置发生系统性偏移。
图6：掺杂诱导载流子类型改变与费米能级移动。DOI：10.1038/s41467-024-54050-2
（2）晶格缺陷与畸变调控：掺杂剂原子的离子半径与基体原子存在差异，融入晶格后会导致晶格畸变，产生点缺陷。这些缺陷可作为活性位点、离子传输通道，或调控材料的力学、热学性能。
如图7，掺杂剂引入电荷补偿缺陷，使氧空位在局域势阱中形成并发生热激活跃迁，从而提供氧离子传输的有效通道，是氧离子导体高导电性的关键来源。
图7：异价掺杂诱导氧空位并促进离子迁移的机制示意。DOI：10.1038/s41467-019-10501-9
负载的核心是“表面结合”：负载物位于载体表面或孔道内，与载体形成“表面–界面”的复合结构，载体晶格结构完整，无原子级别的掺杂融入。
图8：展示“表面 NaCaPO₄ 涂层+ 梯度 Ca²⁺掺杂”的协同策略。DOI：10.1038/s41467-025-58637-1
掺杂的核心是“晶格融入”：掺杂剂原子取代基体晶格中的部分原子，与基体形成固溶体结构，基体晶格发生轻微畸变。
图9：界面区域 Ca²⁺进入层间/结构位点的原子尺度证据，体现“表面结合”与“晶格/界面融入”的结构边界。DOI：10.1038/s41467-025-58637-1
负载的作用机制是“界面调控”，通过调控负载物与载体之间的界面相互作用，优化材料的表面性能。其改性效果主要体现在材料表面，对基体的本征性能影响较小。
掺杂的作用机制是“本征调控”，通过改变基体的晶格结构和电子结构，调控材料的本征性能。其改性效果贯穿整个材料体相，而非仅局限于表面。
如图10，通过 TOF-SIMS 显示外层涂层元素（P）高度表面化，而 Ca²⁺呈外层—内区梯度分布，直观体现“界面主导改性（负载）”与“体相/界面本征调控（掺杂）。
图10：负载与掺杂在机制层面的空间分工。DOI：10.1038/s41467-025-58637-1
负载对材料性能的影响以“表面主导”，主要优化材料的表面相关性能，如催化活性、吸附容量、表面亲疏水性等。
掺杂对材料性能的影响以“体相主导”：主要优化材料的体相相关性能，如导电性、介电性能、力学强度、热稳定性等。
如图11对比不同改性路径的倍率与循环：表面涂层（负载）显著提升高倍率保持与循环稳定性，而体相掺杂主要贡献于框架稳定与耐高电压相变能力。
图11：负载与掺杂对性能的“表面/体相”主导差异。DOI：10.1038/s41467-025-58637-1
负载的制备条件相对温和易控，通常可在常温或较低温度下通过浸渍法、沉淀法、浸渍还原法、物理气相沉积法等实现，制备过程简单，成本较低。
如图12，载体粉体在金属前驱体溶液中完成浸渍与吸附，随后经干燥并在还原气氛下低温处理，使金属物种在载体表面成核/固定，体现负载工艺“流程短、条件温和、易规模化”的特点。
图12：典型负载制备路线（浸渍–干燥–气氛还原）：温和条件下实现表面负载。DOI： 10.1038/s41467-021-21284-3
掺杂的制备条件相对苛刻复杂，需要在高温、高压或真空条件下，通过固相反应法、溶胶–凝胶法、离子注入法、气相掺杂法等实现，以保证掺杂剂原子能够融入基体晶格。
如图13，掺杂需要借助高能粒子束/真空系统，将掺杂原子“打入”固体晶格近表层，实现体相层面的成分改性，体现掺杂制备往往依赖更复杂的设备条件与能量输入。
图13：典型掺杂工艺的“苛刻条件”示例：聚焦离子束驱动的固体掺杂。DOI： 10.1038/s41467-020-18749-2
负载体系的稳定性依赖界面作用，若负载物与载体之间为物理吸附，稳定性较差，在高温、高压或强反应条件下易发生负载物脱落、团聚；若为化学吸附，稳定性较好，但仍可能因界面反应导致性能衰减。
掺杂体系的稳定性源于晶格融合，掺杂剂原子与基体形成稳定的固溶体结构，稳定性较高，在极端条件下不易发生掺杂剂流失。
图14：负载与掺杂对稳定性的贡献边界。DOI：10.1038/s41467-025-58637-1
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