在燃料电池中，Pt、Pd及其具有高能量表面的NCs是最重要的催化材料。这些催化剂对于有机小分子（例如甲酸、甲醇和乙醇等）的电氧化具有显着的活性。在实际应用中，具有小尺寸（亚10nm）和高能量表面的Pt NCs的成功合成实现了更高质量的反应活性。通过表面修饰或合金化形成的双金属体系的协同效应也可更进一步提高了其电催化性能。 就锂离子电池（LIBs）中的（金属）氧化物纳米材料而言，其良好的电催化性能同样取决于开放结构和高能量表面。对于负极纳米材料而言，必须进行结构优化使其在充放电过程中结构保持更稳定，以减少嵌锂过程中破坏性的体积膨胀以及随后引起的电池寿命的减少等问题。对于正极材料而言，调节纳米材料的表面结构应该是提高容量和倍率性能的最有效的方法之一。此外，金属氧化物具有高催化活性的独特缺陷结构，碳材料的多孔结构可用作促进Li+快速扩散的通道，并且能够有效地捕获多硫化物，它们均可用于Li-O2电池和Li-S电池中。
图一、a-c）Pt、Pd和Rh THH NCs的SEM图像。 插图示出了相应的高放大倍数的SEM图像和{hk0}高折射率平面的原子模型。 d）乙醇电氧化时的电极电位与稳态电流函数； 图二、a）HIF-Pt/C的合成过程；
湿化学法中，电化学方法中氧物质的作用可以通过功能分子（如：表面活性剂、封端剂和添加剂）等实现。 功能分子可以通过与表面原子结合改变原始表面能。通常，低配位点可以通过封端剂更好地稳定，减慢向高能表面方向生长的速率并保持高能表面。湿化学方法通常会生成凹的THH晶体。目前，该方法还没有成功地用于Pt或Pd的凸晶体（均可通过电化学方法获得）的制备。
在甲酸电氧化过程中，纯铂上易吸附CO使其中毒，这是一个双路径机制，其中既包括直接形成CO2的活化过程，还包括形成CO的中毒过程。研究表明，外来原子修饰（如：Bi和Au）可以有效避免铂中毒。 图三、a）NCs的表面修饰和合金化的示意图；
金属合金用作LIBs负极时表现出良好的性能。纯金属负极因其高比容量和安全特性有希望用作LIBs负极材料，如Sn（991mAh/g）、Sb（660mAh/g）等；但由于其充放电过程中特殊的合金化机制，它们会产生巨大的体积膨胀，导致活性物质很容易从集流体上脱落，使其容量衰减迅速。在纯金属中添加一些缓冲元素可以有效的缓解体积膨胀；此外，不同纳米结构的设计可以进一步改善其电化学性能，如中空结构的Sn基负极，核-壳结构等。 图四、a）3D纳米结构的Sn-Sb-Co合金的制备示意图；
由于层状氧化物材料（LiNixCoyMn（1-x-y）O2，LNCM）具有更高的工作电压和理论容量，它们成为了下一代LIBs最有潜力的正极材料。提高Li+的扩散通道和正极材料的电子电导率是提高层状氧化物材料倍率性能的关键所在。 图五、a）生长两种纳米板的示意图及其表面的微观结构；
Li-O2和Li-S电池均具有比LIBs更高的理论能量密度，分别为3505Wh/kg和2600Wh/kg。金属氧化物具有高储量、低成本以及高催化活性的特点，因此已经被用作Li-O2电池正极催化剂进行了广泛研究。此外，金属氧化物的多孔结构或其在碳材料上的分散体可有益于氧和电解质的传输。具有上述两种独特缺陷结构的钙钛矿和烧绿石已广泛应用于Li-O2电池。 图六、a）固定在CMK-3互连孔结构内的硫的示意图；
在过去的几年里，金属（合金）和金属氧化物纳米材料在电催化领域已经取得了显著的进展。高能表面纳米材料的研究为设计高性能电化学能量转换和存储设备开辟了新的途径。尽管如此，在未来纳米材料的发展中我们仍面临许多挑战。
曾任厦门大学副校长兼研究生院院长；2015年12月7日，当选中国科学院院士。主要研究方向：电催化、表界面过程，能源电化学（燃料电池，锂离子电池），纳米材料电化学；侧重于固/液界面环境中原子分辨上的表面结构与性能和分子水平上的电化学反应机理和反应动力学的研究。 |
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