深共熔溶剂在电催化领域的研究进展

深共熔溶剂（DES）作为一类新型绿色溶剂，凭借低挥发性、高稳定性、低成本及可设计性等优势，近年来在电催化领域展现出广阔应用前景。本文系统梳理了 DES 的基本特性、在电催化催化剂合成与电催化反应中的核心作用，以及当前面临的挑战与未来发展方向，为 DES 基电催化体系的进一步研究提供理论参考。

一、深共熔溶剂的基本特性

DES 通常由氢键供体（如尿素、乙二醇、柠檬酸）与氢键受体（如季铵盐、金属卤化物）通过氢键、路易斯酸碱作用及范德华力自组装形成，其熔点显著低于各组分，兼具离子液体与传统分子溶剂的双重优势。

在电催化相关特性方面，DES 具备四大核心优势：一是低挥发性与高热 / 化学稳定性，可在宽温度范围及电化学环境中稳定存在，减少溶剂损耗与副反应干扰；二是高离子电导率与可调极性，能构建高效离子传输通道，同时适配不同极性反应体系；三是优异溶解与分散能力，可高效溶解金属盐、生物质前驱体及各类催化材料，为催化剂均匀生长提供条件；四是可设计性强，通过调控氢键供体 / 受体种类与比例，可精准调控黏度、电化学稳定窗口及配位能力，适配不同电催化场景。此外，DES 绿色无毒、原料易得，契合电催化领域可持续发展需求。

二、DES 在电催化催化剂合成中的应用

DES 不仅可作为溶剂，还可充当模板、还原剂、掺杂源及结构调控剂，在电催化催化剂合成中实现多维度调控，显著优化催化剂结构与性能。

2.1 形貌与结构调控

DES 的氢键网络与空间限域效应可精准调控催化剂成核与生长过程，制备纳米片、纳米花、空心结构等特殊形貌材料。例如，氯化胆碱 / 尿素 DES 可作为软模板，诱导 NiCo₂O₄形成八面体纳米结构；氯化胆碱 / 乙二醇 DES 可调控 Pt 基催化剂生长，制备高指数晶面纳米晶体，提升催化活性。同时，DES 的黏度可调控颗粒聚集状态，降低纳米材料团聚风险，保证活性位点均匀暴露。

2.2 缺陷与掺杂工程

DES 组分可直接作为掺杂源，在合成过程中实现 N、S、P 等元素原位掺杂，同时诱导空位缺陷生成。如硫脲基 DES 可提供 S 源，一步制备 S 掺杂 NiSₓ催化剂，丰富缺陷位点；尿素基 DES 热分解产生的 NH₃可实现 N 掺杂，增强催化剂电子传导能力。此外，DES 的强配位作用可调控金属配位环境，生成不饱和活性位点，提升催化选择性。

2.3 复合材料构建

DES 可促进多组分材料界面耦合，构建异质结、核壳结构等复合催化剂。例如，DES 中金属离子与碳前驱体可协同生长，原位制备金属 – 碳复合材料；同时，DES 可缓解异质材料界面应力，强化电子转移效率，优化催化协同效应。

三、DES 在电催化反应中的核心应用

DES 凭借独特溶剂化环境与界面调控能力，在析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、氧还原反应（OR）、CO₂电还原（CO₂RR）及氮还原反应（NRR）等关键电催化反应中展现优异性能。

3.1 析氢反应（HER）

HER 是电解水制氢的核心阴极反应，DES 可通过调控催化剂表面氢吸附能、优化质子传输效率提升催化性能。氯化胆碱 / 乙二醇 DES 中，Pt 基催化剂可实现低过电位（54 mV@10 mA・cm⁻²）；非贵金属催化剂（如 NiSₓ、CoP）在 DES 中因缺陷富集与电子调控，HER 活性显著提升，同时 DES 可抑制催化剂氧化，增强循环稳定性。

3.2 析氧反应（OER）

OER 作为电解水与金属 – 空气电池的阳极反应，动力学缓慢，DES 可通过调控催化剂表面羟基吸附、优化电子转移加速反应。尿素基 DES 制备的 LaCoO₃钙钛矿催化剂，在碱性 DES 电解质中展现优异 OER 活性；DES 可稳定高价金属活性位点，同时缓解催化剂溶解，提升长周期稳定性。

3.3 氧还原反应（ORR）

ORR 是燃料电池与金属 – 空气电池的关键阴极反应，DES 可调控催化剂氧吸附行为，优化反应路径。DES 衍生 N 掺杂碳材料展现优异 ORR 催化活性，兼具高活性位点密度与电子传导能力；同时，DES 可抑制催化剂表面副反应，提升催化选择性与稳定性。

3.4 CO₂电还原（CO₂RR）

CO₂RR 是实现碳循环利用的重要途径，DES 可高效溶解 CO₂，调控 CO₂活化路径，提升产物选择性。氯化胆碱 / 尿素 DES 中，Ag 催化剂可高选择性生成 CO（法拉第效率 96%）；DES 的氢键网络可稳定 * COOH 中间体，降低反应能垒；同时，DES 可抑制析氢副反应，提升 CO₂转化效率。

3.5 氮还原反应（NRR）

NRR 是常温合成氨的绿色路径，DES 可活化 N≡N 三键，抑制析氢副反应。DES 中 Fe₃S₄、Bi₂O₃等催化剂可实现高效氨合成，法拉第效率显著提升；DES 的极性环境可富集 N₂，优化 N₂吸附活化过程，为 NRR 提供新策略。

四、挑战与未来展望

4.1 当前挑战

1. 黏度过高：DES 黏度普遍高于传统水溶液，导致离子传输速率降低，影响电催化反应动力学；
2. 稳定性不足：高电位或强氧化环境下，DES 组分易分解，影响体系稳定性；
3. 机理模糊：DES 与催化剂、反应物间的界面作用、电子转移机制尚未明确，难以精准指导催化剂设计；
4. 规模化限制：DES 成本较高，大规模应用受限，且部分 DES 组分存在潜在毒性。

4.2 未来展望

1. 新型 DES 设计：开发低黏度、高稳定性、低成本 DES，如生物质基 DES、离子液体 – DES 复合体系，适配规模化应用；
2. 机理深入研究：借助原位表征技术（原位 XRD、XPS、电化学原位谱学），揭示 DES 界面调控、电子转移机制；
3. 多功能体系构建：开发 DES 基复合电解质，耦合催化剂优化，实现高效、稳定电催化体系；
4. 绿色规模化应用：推动 DES 基电催化技术在电解水、CO₂转化等领域的工业化应用，助力碳中和目标。

五、总结

深共熔溶剂凭借独特理化性质，在电催化催化剂合成与电催化反应中发挥关键作用，可实现催化剂形貌、缺陷、电子结构的精准调控，同时优化电催化反应动力学与选择性，为电催化领域提供新的研究方向。尽管当前面临黏度、稳定性及机理等挑战，但通过新型 DES 设计、机理深入研究与体系优化，DES 基电催化技术有望在能源转化、环境治理等领域实现突破性应用，推动绿色电催化技术的可持续发展。