综述：利用外加场增强电催化作用：机制与应用综述

《Sustainable Materials and Technologies》：Enhancing electrocatalysis using external fields: A review of mechanisms and applications

　　

阿韦伊斯·哈立德（Awais Khalid）|阿迪尔·艾哈迈德（Adeel Ahmed）|穆扎米尔·艾哈迈德（Muzamil Ahmad）|佩尔瓦伊兹·艾哈迈德（Pervaiz Ahmad）|萨塔姆·阿洛蒂比（Satam Alotibi）|纳迪姆·拉扎（Nadeem Raza）

沙特阿拉伯阿尔卡赫杰（Al-Kharj）萨塔姆·本·阿卜杜勒阿齐兹大学（Prince Sattam bin Abdulaziz University）科学与人文学院物理系，邮编11942

摘要

电催化技术的进步要求在电力保存、再开发和消耗方面采取适当的策略。对环保替代能源的追求增加了人们对电催化的兴趣，电催化是一种将电化学与催化剂开发相结合的潜在概念。设计和改进电催化剂通常可以显著提高电催化效果；然而，可能会遇到阻碍重大进展的挑战。为了实现高性能的电催化，需要不断改进新的方法。应用电磁场是一种有趣的技术，可以加速质量传输并定制反应路径，从而显著提高电催化的生产力。本文重点介绍了在多种外部场（如光、电磁波、弹性应力、外力和重力）的有效应用方面的最新创新，这些外部场可以加速电催化过程，包括水分解、酒精氧化反应、二氧化碳（CO₂）还原和氮气（N₂）还原。外部场利用相关技术增强了反应物的吸附、体积分散并提高了电荷转移效率。本文还评估了将电催化与外部场结合时剩余的挑战和潜在机会，并通过计算方法阐明了微观机制。这一全面的评估提供了概念性和实验性的框架，以支持新型电催化剂的开发，促进先进且环保的电催化技术的发展，最终为实现能源效率和可持续性做出重要贡献。

引言

目前由石油基燃料燃烧引起的能源问题和日益严重的环境污染，使得人们更加关注可持续和可再生能源（如风能、太阳能和水力能）[1]、[2]、[3]的探索。然而，替代能源的间歇性使得它们的即时利用几乎不可实现[4]、[5]。电催化技术提供了一种有趣的方法，可以有效地保存、转化和消耗替代能源，同时减少大气中的二氧化碳[6]、[7]、[8]。例如，可再生能源可以用于发电，应用于多种领域，包括水分解、燃料电池以及电化学反应，如氧进化反应（OER）、氢进化反应（HER）和氧还原反应（ORR）[9]、[10]、[11]、[12]。所产生的电力还可以用于二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）的电还原，以生产能源，制造氨（NH₃）和一氧化二碳（CO(NH₂)₂），以及通过电催化方法精炼天然物质来合成精确的化学化合物[13]、[14]、[15]。然而，反应时间较长、能耗过高以及不可预见的副反应严重限制了电催化技术的广泛应用，使其难以在更大规模上实际应用。

在过去的几十年里，研究人员投入了大量努力来改进电催化剂，以最大化电催化过程的效果。通过合理的规划优化电催化剂的结构、形态和化学成分，可以增加活性位点的数量和相关的基本性能，从而提高电催化活性、稳定性和灵敏度[16]、[17]。已经采用了不同的方法（包括形态改变、缺陷工程（相变、共催化剂积累和元素掺杂）来提高电催化剂的效率[18]。然而，催化剂的最新配置和改造逐渐遇到了限制，如可扩展性和材料可用性的限制，这使得在电催化过程中难以取得显著进展。因此，需要不断开发新的方法来更有效地最大化电催化活性[19]。

目前，将光和磁场等外部力量引入电催化反应系统已被证明是一种提高电催化活性的有效方法[20]。即使在不靠近的情况下，外部物理力也可以通过施加额外的力量或高能量来影响物质的微观结构和性质。此外，不同场的效果是可适应的、连续的、可逆的且可控的，可以加速质量传输并调整反应动力学[21]、[22]。结合电催化和局域表面等离子体共振（LSPR）可以带来改进，例如降低初始产生的过电位、加快反应速率，并操纵反应路径以避免产生不需要的副产物[23]、[24]。此外，由磁场和电子极化引起的洛伦兹力（F = qE + qv × B）也是电子传输的重要驱动力。最近发表了许多论文专门研究了等离子体增强或磁场增强电催化的效果[25]、[26]。江等人详细讨论了最近发表的关于电磁效应促进的电静力过程的研究，特别强调了导致这些化学反应的潜在机制[27]。李等人研究了等离子体介导的电催化的机制，并简要概述了表征LSPR效应的方法[28]。

值得强调的是，之前的研究主要集中在电催化中的单一外部影响上。然而，全面了解外部场如何改善电催化可能对希望更深入理解这一快速发展的领域的学者有所帮助。不过，到目前为止，可能还没有适当的评估报告。本文强调了外部场增强电催化的最新进展，如光、磁场以及其他领域（例如可调节的应变和外部压力）。该综述还全面介绍了上述外部力量在以下反应中的应用：酒精氧化反应（AOR）、氮气还原反应（N₂RR）、二氧化碳还原反应（CO₂RR）、HER、OER和ORR[29]、[30]、[31]。此外，还强调了外部力的应用通过加速底物消耗和增强电催化过程的反应动力学来促进电催化。最后，本文还指出了电催化在外部场辅助下的主要障碍和前景。

章节摘录

光场增强电催化

来自太阳的可再生能源作为一种能源选择，因其普遍性、无限性和易于获取而非常吸引人，适用于可持续地生产化学品和石油产品[32]、[33]、[34]。然而，目前人工创造的光合作用方法由于其太阳能到化学能转化效率不足，还不适合实际和环保的化学合成

磁场增强的电催化

电磁场与电催化的结合通常被认为是一种创新且有前景的方法，可以改善电催化过程，如氢进化反应（HER）、氧还原反应（ORR）和二氧化碳还原反应（CO₂RR）[27]、[100]。

以下五个类别可用于组织磁场对电化学反应的负面影响：

• •
  磁热效应：

用于增强电催化的替代场

燃料电池技术、二氧化碳还原和电催化电解在能量转换方法中至关重要。从历史上看，材料表面结构和制造一直是电催化进展的主要领域。然而，技术的进步推动了创新优化策略的发展，这些策略取代了传统方法。这些技术涉及修改化学

结论与展望

一种创新且可能成功的方法是外部场增强电催化，用于优化电催化反应的效果。电催化系统与外部场的特殊相互作用有可能提高质量传输、加快反应速率并优化化学反应路径。在这篇综述中，我们系统地概述了外部场增强电催化的最新进展，包括

CRediT作者贡献声明

阿韦伊斯·哈立德（Awais Khalid）： 资金获取、概念化、项目管理、资源协调、撰写——审阅与编辑、初稿撰写。阿迪尔·艾哈迈德（Adeel Ahmed）： 监督、项目管理、撰写——审阅与编辑、初稿撰写。穆扎米尔·艾哈迈德（Muzamil Ahmad）： 可视化、软件使用、数据分析、撰写——初稿撰写。佩尔瓦伊兹·艾哈迈德（Pervaiz Ahmad）： 方法论设计、实验研究、数据管理、概念化。萨塔姆·阿洛蒂比（Satam Alotibi）： 软件使用、资源协调、实验研究、撰写——审阅与编辑。纳迪姆·拉扎（Nadeem Raza）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢萨塔姆·本·阿卜杜勒阿齐兹大学通过项目编号（PSAU/2025/01/36698）资助这项研究工作。