『综述』南昌大学Chemical Reviews:电化学重构策略,定制高性能水系储能与转化材料
可再生能源的快速发展推动了电化学储能与转化技术的需求，过渡金属基材料因结构可调、氧化还原活性优异，成为水系电池、超级电容器、电解水等体系的核心电极材料。然而，这类材料在实际应用中面临多重瓶颈：活性位点暴露不足、电子 / 离子传输动力学迟缓、界面稳定性差、循环过程中结构易退化，且传统材料设计多依赖静态预制结构，难以适配电化学环境下的动态反应需求。尤其在水系体系中，水的分解电位限制、离子溶剂化效应与界面副反应进一步加剧性能衰减，严重制约了水系储能与转化技术的能量密度、循环寿命及实用化进程。现有研究多聚焦于材料的初始结构优化，忽视了电化学环境下材料会发生自发的相转变、成分重构与界面演化（即电化学重构），导致设计的 “理想结构” 与实际工作状态的 “真实活性相” 脱节。本研究系统综述了电化学重构的本质的规律，阐明其是通过电压驱动的离子嵌入 / 脱嵌、氧化还原、溶解 / 沉积等过程，实现材料从 “前驱体” 到 “真实活性相” 的动态转化，可精准调控掺杂状态、缺陷结构、活性位点、高价态中心、异质表面及电极 / 电解液界面。基于此，建立了 “重构机制 - 结构设计 - 性能提升” 的关联框架，整合了外场调控、原位表征与 AI 辅助设计等技术，为高性能水系储能与转化材料的理性设计提供了全面理论支撑与实用路径。①体系化机制整合：首次系统揭示电化学重构的热力学基础与动力学规律，明确 Pourbaix 图、氧化还原电位、离子迁移等关键因素的调控作用，建立 “前驱体结构 - 重构路径 - 活性相特性” 的因果关联，突破传统静态材料设计的局限；②多维度结构设计框架：提出 “掺杂工程、缺陷工程、活性位点富集、高价态位点工程、异质表面工程、界面工程” 六大重构设计方向，涵盖原子级、微观结构级与界面级调控，实现活性、稳定性与动力学的协同优化；③技术与应用融合：整合外场调控（磁场、温度、电场）、原位表征技术与 AI 驱动设计，搭建 “机制解析 - 结构调控 - 性能验证 - 产业化适配” 的完整链条，为水系电池、超级电容器、电解水等多场景应用提供可落地的材料设计方案。图2. (a)不对称超级电容器的结构示意图，(b)赝电容电极及其电荷存储机制。对比(c)EDLC型材料、氧化还原赝电容材料、插层赝电容，材料及电池型材料的循环伏安曲线与放电曲线。图3. (a) 水基储能系统放电过程中反应机理示意图（以二氧化锰为例）。(b) 水的Pourbaix图，用于指导水基储能的电化学设计。(c) 酸性/碱性环境中不同氧化还原对的标准氧化/还原电压。 (d) 不同载体的离子质量、半径及水合半径总结。图4.(a)电化学水分解过程示意图，(b)相应的氢析出反应（HER）与氧析出反应（OER）机理。(c)不同金属或化合物在不同 ΔGH *条件下的交换电流密度。经许可改编。105版权所有2014，英国皇家化学学会。(d)理论过电位与（ΔGO *− ΔGHO *）的关系。图5. 图5. (a) 动态重构过程示意图。插图显示氧化还原峰电流随循环次数增加的变化趋势。 (b) 重构过程调制与解耦机制的理论构想。(c) 发表论文数量统计（通过Web of Science数据库检索截至2025年5月）。(d) 电化学水分解与水基储能系统重构过程涉及的关键要素，(e) 近年来主要技术突破进展。图6. 图6. 室温下水溶液中的Pourbaix图：(a)钴(Co)，(b)镍(Ni)，(c)锰(Mn)在离子浓度分别为1×10⁻⁹ mol/L（上图浅蓝色曲线）和1×10⁻³ mol/L（下图浅灰色曲线）时的分布；(d)铁(Fe)，(e)铜(Cu)，(f)锌(Zn)，(g)钌(Ru)，(h)铱(Ir)，(i)钨(W)在1×10⁻³ mol/L离子浓度下的分布。虚线标示水相稳定性区域，其中上下区域分别对应氧析出反应(OER)和氢析出反应(HER)。图d-i中阴影区域表示固态物种。数据来源于Materials Project数据库（https://next-gen.materialsproject.org/）。本研究系统综述了电化学重构在水系储能与转化材料设计中的应用，阐明其核心是通过电压驱动的动态反应，将前驱体转化为适配实际工况的 “真实活性相”，实现掺杂状态、缺陷结构、活性位点、高价态中心、异质表面及界面的精准调控。六大重构设计策略（掺杂、缺陷、活性位点富集、高价态、异质表面、界面工程）可根据不同应用场景灵活选择，例如超级电容器侧重活性位点富集与快速传输，电解水侧重高价态位点与异质结构构建。外场调控（磁场、温度、电场）、电解液优化与前驱体结构设计可协同引导重构路径，原位表征技术为重构机制解析提供直接证据，AI 辅助设计则加速材料开发进程。该研究建立了 “热力学（Pourbaix 图）- 动力学（电化学曲线）- 结构（表征证据）- 性能” 的完整关联，解决了传统静态材料设计与动态电化学环境不匹配的核心矛盾。未来研究需聚焦三大方向：一是精准调控重构深度与产物结构，平衡活性与稳定性；二是拓展极端工况（宽温、宽 pH）下的重构策略；三是推进 AI 与机器人实验平台的融合，实现重构材料的高效开发与规模化制备。该综述为高性能水系储能与转化材料的设计提供了全新范式，推动相关技术向高能量密度、长寿命、实用化方向发展。Tailoring Materials Design for Aqueous Energy Storage and Conversion through Electrochemical Reconstruction. Chemical Reviews, 2026; https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5c00775本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
