电化学能量转换技术(例如，水分解、燃料电池和CO₂还原)的成功发展取决于设计出能够促进反应的高效率和高活性的电催化剂。调节界面电场是控制电催化剂活性的有力手段。电场可以通过改变吸附质的极化率和偶极矩来影响催化反应速率，这意味着它们的运作独立于传统的比例关系(这种关系对电催化剂的性能有基本的限制)。然而，这种策略的实施仍然具有挑战性，因为典型的方法不能均匀地修改电场，并且只影响少数活性位点。因此，制定合理的操纵界面电场的设计规则，并了解其对电催化剂活性和选择性的影响具有重要意义。

近日，新加坡国立大学Yanwei Lum (林彦玮)课题组首先采用密度泛函理论(DFT)计算研究了界面电场对反应路径能量的影响。结果表明，可以使用单原子催化剂(SACs)实现均匀可调的电场调制。这样的催化剂通常由锚定并单独分散到诸如碳基载体的基底上的孤立的金属原子组成。

因此，研究人员设计了一系列球形碳载体负载M-N₄活性位点的SAC系统，这些载体具有不同程度的纳米曲率。原位拉曼光谱分析表明，更高的纳米曲率确实诱导了更强的界面电场。因此，碳载体的纳米曲率可以被调节来控制SAC的活性。

研究人员将这种策略应用于Ni、Fe和Co SACs，发现纳米曲率显著影响它们的活性，特别是那些具有高偶极矩或极化率的反应中间体。具体而言，首先研究了在酸性介质中的电化学CO₂还原(CO₂R)，具有最佳纳米曲率的Ni-SAC在>99%法拉第效率下表现出约400 mA cm⁻²的高CO部分电流密度；进一步推广到碱性氧还原反应(ORR)，在旋转圆盘电极(RDE)测量中，最佳Fe SAC的半波电位为0.91 V；同时，在碱性介质中，纳米曲率可以控制析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的活性。

值得注意的是，这些结果与酸性介质中HER的结果相反，在酸性介质中没有观察到纳米曲率对SAC活性的任何影响，这是因为*H中间体没有偶极矩或极化率，因此它的结合能不受界面电场的影响。

Nanocurvature-induced field effects enable control over the activity of single-atom electrocatalysts. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46175-1