研究背景
隨著全球人口的快速增長和工業化進程的加速，能源與環境的挑戰愈發嚴峻。2022年，全球能源供應達632億焦耳，其中約80%來自不可再生化石燃料，如煤、石油和天然氣。隨著可再生能源（如風能和太陽能）的不斷推廣，如何構建一個可靠的能源網絡以應對這些可再生能源的間歇性成為亟待解決的問題。因此，電催化系統應運而生，作為利用間歇性太陽能和風能將易得反應物轉化為燃料和化學品的有效手段。鈣鈦礦氧化物因其可調的組成和結構，以及顯著的催化活性和穩定性，在各種電催化反應中引起了廣泛關注。鈣鈦礦氧化物的ABO3結構使其在電化學反應中表現出優異的性能，尤其是在析氫反應（HER）、析氧反應（OER）以及氧還原反應（ORR）等關鍵反應中。然而，目前對鈣鈦礦氧化物催化機制的理解仍然有限，許多催化反應的性能受復雜結構演變的影響，這使得基于初始結構的催化活性描述符往往不準確。此外，鈣鈦礦氧化物在不同反應中的催化機制存在顯著差異，性能的關鍵決定因素也隨之變化。為了解決這些問題，許多科學家對鈣鈦礦氧化物進行了深入研究，探索其在電催化反應中的機制和關鍵因素。這些研究不僅揭示了催化劑的結構、活性和穩定性之間的關系，還總結了有意義的活性描述符。然而，關于鈣鈦礦氧化物的綜合評述仍顯不足，缺乏指導設計高效電催化劑的適用方法。 為了解決這些問題，香港城市大學樓雄文教授等人在“Science Advances”期刊上發表了題為“Structural evolution and catalytic mechanisms of perovskite oxides in electrocatalysis”的最新論文。本綜述重點探討鈣鈦礦氧化物在電催化中的機制，提供研究框架，以便研究人員能夠分析和識別鈣鈦礦氧化物電催化劑的機制和影響因素。通過這種框架，研究者可以更好地理解催化機制，從而為電催化劑的設計提供理論依據，并將其應用拓展到光催化和熱催化等多個領域。這樣，鈣鈦礦氧化物在電催化中的應用將得到進一步的提升，推動可持續能源的發展。
研究亮點
（1）本研究首次系統探討了鈣鈦礦氧化物在電催化反應中的機制，揭示了其結構演變對催化活性的影響，得出了在析氧反應（OER）、析氫反應（HER）和氧還原反應（ORR）中鈣鈦礦氧化物的關鍵催化特性。（2）通過采用先進的表征技術，如X射線吸收譜（XAS）和拉曼光譜，本研究分析了鈣鈦礦氧化物在電催化過程中的活性相，獲得了關于催化機制的深入理解。此外，研究發現，鈣鈦礦氧化物的A位和B位的金屬元素比例對其催化性能具有顯著影響。優化合成方法（如固相燒結和化學沉積）可以提高鈣鈦礦氧化物的催化效率，且在高溫下合成的材料通常具有更好的化學穩定性。 （3）本研究還指出，盡管鈣鈦礦氧化物在某些反應中表現出良好的活性和穩定性，但在商業應用上仍需解決催化劑性能不足的問題。為此，提出了利用人工智能和機器學習技術來篩選和設計新型高效鈣鈦礦氧化物催化劑的策略。
圖文解讀
總結展望
本文的研究為鈣鈦礦氧化物在電催化領域的應用提供了重要價值。首先，鈣鈦礦氧化物的可調結構和組成使其在多種催化反應中展現出優異的活性和穩定性，為催化劑設計提供了靈活性。其次，深入理解電催化反應的機制及其影響因素，有助于優化催化劑性能，實現更高效的能量轉換與化學品生產。此外，先進的表征技術在催化機制研究中的應用，可以揭示反應過程中催化劑的真實狀態，從而指導新材料的開發。最后，結合理論計算與實驗表征，有望推動鈣鈦礦氧化物電催化劑的設計與應用，使其在綠色氫能、二氧化碳還原等關鍵反應中發揮更大作用。這些啟示不僅為鈣鈦礦氧化物的未來研究指明了方向，也為其他電催化材料的開發提供了借鑒，促進了可持續能源技術的進步。Jia-Wei Zhao et al. ,Structural evolution and catalytic mechanisms of perovskite oxides in electrocatalysis.Sci. Adv.10,eadq4696(2024).DOI:10.1126/sciadv.adq4696
