近日，天津工业大学耿建新教授、吕宪伟副教授联合南开大学袁忠勇教授在Advanced Energy Materials发表综述性论文，题目为：“Engineering Orbital Hybridization in Advanced Electrocatalysts for Energy Conversion: Fundamentals, Modulations, and Perspectives”。吕宪伟副教授和硕士研究生龚家兴为共同第一作者，通讯作者分别为耿建新教授，袁忠勇教授和吕宪伟副教授。
工业的快速发展加剧了能源危机，并带来了严重的环境污染。开发新型能源转换设备及先进电极催化剂迫在眉睫。其中，如何有效提升电催化剂的本征活性、选择性及稳定性是推动新兴能源器件快速发展的重中之重。非均相电催化过程主要发生在三相界面处，其热力学与动力学本质上受到催化剂内部元素之间或与反应中间体之间轨道相互作用的影响。因此，精准调控轨道杂化成为提升能源材料催化性能的有效策略之一。
基于此，本论文聚焦轨道杂化在能源小分子电催化领域的研究进展、瓶颈及前景进行了综述。首先，本综述介绍了轨道杂化的基本原理（价键理论、杂化轨道理论、分子轨道理论和前线轨道理论）、典型分类（s-p，d-p，d-d，d-f和f-d-p）及关键描述符（轨道重叠度、能级匹配、费米能级）。随后，本综述探讨了轨道杂化在调节能源材料的本征活性、选择性和稳定性等方面的关键作用。接着，本文综述了轨道杂化的几种调控策略，如场效应（磁场和电场）、电子结构调控（元素掺杂、合金化）、几何结构调控（应变、异质结）、配位环境调控（配位原子的种类、数量、及方式）；重点论述了其对电催化析氢/析氧、氧气/二氧化碳还原、氮气/亚硝酸根/硝酸根还原等半反应，以及电催化水分解、金属-空气电池、钠硫/锂硫电池等器件性能的作用机制。最后，本文探讨了基于轨道杂化调控能源材料电催化性能所面临的瓶颈问题及发展前景。
图1.轨道杂化策略应用于电催化领域的时间发展线
图2.轨道杂化的基本理论、关键描述符、调控策略及应用
图3.轨道杂化在电催化过程中的关键作用
总而言之，轨道杂化在催化剂性能调控中扮演着至关重要的角色。通过调节催化剂内部或与吸附剂之间的轨道相互作用，能够针对性调控催化剂的电子结构、反应活性和选择性。不同的杂化方式不仅改变了催化剂的电子密度分布，还优化了反应物的吸附和活化过程，从而提升了催化性能。因此，深入理解轨道杂化的机制为设计性能优异、选择性强的能源催化材料提供了重要的理论基础和实践指导，有助于推动催化科学的进步与发展。
本研究得到了国家自然科学基金（22179065，52273215，52311540152，52407249，22203031）和天津市自然科学基金（23JCQNJC00880，22JC-QNJC01510）的支持。
天津工业大学为第一完成单位。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202501129
龚家兴，于2023年9月进入天津工业大学材料科学与工程学院攻读专业硕士学位，在攻读期间获天津工业大学学业一等奖学金，二等奖学金，天津工业大学三好学生等荣誉称号，在Advanced Energy Materials发表论文1篇。
吕宪伟副教授简介：博士，天津工业大学副教授、硕士生导师。主要从事纳米多孔材料的设计及能源小分子电催化转化等领域的研究工作。以第一作者或通讯作者在Adv. Energy Mater.、ACS Nano (2篇)、Electrochem. Energy Rev.（ESI高被引论文/ESI热点论文）、Small (3篇)、J. Energy Chem. (2篇)、J. Mater. Chem. A (2篇)等国际期刊发表学术论文20余篇。担任《eScience》、《Exploration》、《Rare metals》等期刊青年编委。主持天津市自然科学基金、天津市教委科研创新项目、先进能源材料化学教育部重点实验室基金等项目。
工作单位：天津工业大学材料科学与工程学院 天津市先进纤维与储能技术重点实验室
Email: xianweilv@tiangong.edu.cn
袁忠勇：南开大学教授，博士生导师。新催化材料科学研究所所长。英国皇家化学会会士。兼任国际期刊《RSC Advances》副主编，《Smart Materials and Devices》主编，以及《精细石油化工》、《无机盐工业》、《Current Catalysis》、《Journal of Engineering》等期刊编委，《催化学报》、《Frontiers of Chemical Science and Engineering》、《石油学报（石油加工）》等期刊客座编辑。主要从事纳米多孔材料及能源催化应用研究。至今已在Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funt. Mater., ACS Nano, ACS Catal., Appl. Catal. B, Small, Chem. Mater. 等重要期刊上发表SCI收录论文460篇，论文已被他人引用 26000次，H因子82。出版英文专著1部和专著章节5篇，获中国发明专利授权10余项。
工作单位：南开大学材料科学与工程学院
E-mail: zyyuan@nankai.edu.cn
耿建新教授简介：博士，国家高层次人才特殊支持计划领军人才入选者，天津工业大学教授、博士生导师，目前任材料科学与工程学院院长。2004年，毕业于中国科学院长春应用化学研究所，高分子化学与物理专业。主要从事聚合物材料、碳材料和纳米能源材料等领域的研究，在碳纳米材料表面修饰、碳纳米材料/聚合物复合材料设计与合成、电化学储能技术等方面取得了多项创新研究成果。获得中科院“百人计划”项目资助并在终期评估中被评为优秀；入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、江苏省“双创计划”等人才计划。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.等具有重要影响力的期刊上发表学术论文110余篇。以第一发明人申请中国发明专利16项（10项获得授权）。撰写学术专著1章。
工作单位：天津工业大学材料科学与工程学院 天津市先进纤维储能技术重点实验室
Email: jianxingeng@tiangong.edu.cn