以下文章来源于科泰催化 ，作者科泰催化 容容
早年我的老师跟我们讲过电催化的四个层面：
1. 相结构和形貌结构（合成十八般武艺）
2. 原子结构（配位环境）
3. 电子结构（成键作用）
4. 电催化性能
这个关系是递进的，我把它延伸开来分析一下。
首先要有一手的合成本领，能合成精准的相结构（如α相、β相、1T、2H、复合相、无定型等等）、形貌结构（如纳米颗粒、团簇、单原子、二维纳米片、纳米棒、核壳结构等等），这是做电催化的基础。
不同的合成方法会影响催化剂的相结构或形貌结构，尽管还是同一个物质，但性能就有可能不一样了，这是因为相结构或形貌结构的改变影响了它的原子结构，也就是配位环境发生了改变。比如MoS2常见的有1T相和2H相，稳态的2H相具有半导体性质，当被用作HER时，性能远不如金属性质的1T相。2H-MoS2作为半导体相，其带隙会随层数的降低而降低。
MoS2的1T相和2H相
从图可以看出MoS2是层状结构，不同的层数堆叠产生的不同相结构。
类似的，其他二维材料也可以通过减薄来提高其导电性、暴露更多活性面积；无定型结构会产生更多不饱和活性位点。原子结构是可以通过合成来控制的，主要是控制活性位点处的配位环境，而配位环境的改变会改变其电子结构，影响中间体的成键强度。
NiOOH和NR-NiOOH原子结构示意图（10.1038/s41586-022-05296-7）
物质的物理和化学性质，都是由其内部的精确结构和显微组织所决定的。物质显微结构的精确匹配，由原子间的不同轨道重叠所决定，最终使不同物质具有不同动态行为的电子，表现为物质的不同性质。比如，各类化学键、导体和半导体的能带等，均涉及原子轨道和分子轨道的组合和再组合等纷繁杂化的相互作用。
电子轨道波函数
因此，人们若想精确揭示物质微观结构，势必需要掌握原子轨道和分子轨道的能级结构和相互重叠情况。轨道间的不同重叠程度，造成原子核外价电子层的电子排布呈现差异，甚至使原子或分子具有完全不同的性质，最终影响电催化性能。
平面四边形NiO4的分子轨道示意图（10.1038/s41586-022-05296-7）
我们在刚接触电催化的时候，肯定最先了解到的是材料，在掌握材料的合成方法之后，试着去分析不同材料或者相同材料不同相/形貌结构所造成的配位环境不同，进而引起的电子结构自旋/排布不同对中间体吸附强弱的影响，最终影响性能。
同样可以倒推，根据性能结果，推测可能的电子结构影响来源的原子结构差异，倒过去优化合成过程。
这套理论对我来说一直很受用，在分析这些问题的时候，我喜欢闭上眼睛，把自己缩小再缩小，想象自己变成一个原子或电子，与其他原子一起处在晶胞结构中。
想象着我作为催化剂活性位点周围的一个原子，看着活性位点处的原子/分子是如何发生吸附、转化、分离，使得我与周围的原子被拉伸、挤压、变形，使得我周围的电子云交盖、离域、转移；
或者想象我作为一个反应物分子，是如何在活性位点被接纳、与周围原子发生电子相互作用，最终我变成另外一个物质走了；
有时候我会带走一个晶格中的原子跟我一起私奔（OER中LOM机理），长此以往造成它们家庭破裂（结构坍塌稳定性下降）；
我也会想为什么活性位点不接纳我，是不是我带的电子太多了跟它们排斥（亲核反应受阻）；为什么周围原子不愿意跟我玩，是不是我不愿意跟它们分享我的电子（电催化N2合成NH3）；但是跟它们玩太好了，它们又不舍得放我走了（催化剂中毒）。
为什么反应物不喜欢到我这来，是不是我没有给它提供位置（空间位阻），还是没有给它的电子提供位置（电荷排斥）；为什么反应物不愿意分享它的电子，是不是我没有先分享自己的（电荷离域）；为什么反应物反应完了搁这赖着不走（成键太强脱附困难）；诶诶，别走啊，我没说你，你还没反应完呢。。（中间副产物增多）
有时候我会在反应过程中被踢出家门（电氧化重构原子溶出），有时候我还能厚着脸皮再回来（再沉积），但是它们不欢迎我被挡在门口（阴离子表面吸附），有时候帮人招揽顾客（质子受体协同催化），有时候抵御外侵（电解海水保护层），有时候却把客人都吓跑了。。（阻碍活性位点）
我也在想为什么电活化性能提升，是不是我踢出去的那些原子给外来反应物提供了位置（增加配位不饱和活性位点），但为什么反应一段时间性能又下降了，难道是原子们没有好好干活传递电子（导电性变差），还是我踢出去的太多了（结构坍塌），那些人还像个门神一样在门口守着呢。。
我的电子在我周围是怎么运转的，它们的轨道能级是多少，都有好好地站岗吗？（轨道电子排布）；我该怎样排布我的电子才能好好地接纳反应物（eg轨道电子占有率），让它们跟我保持适当的关系不远不近（Sabatier原理），那个时候我的轨道电子又是如何与反应物电子发生相互作用的？（分子轨道理论）
我作为一个电子，在原子核外特定轨道绕核做高度运动时也是有原则的（能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则），跟什么电子玩才能满足这些规则，实验上又有什么表现？我的状态既然是我的原子主人和它的小伙伴决定的，当我与外来电子发生作用时（交盖、转移），会不会也反过来影响到原子主人的结构（键长、键角）？什么情况下我的运动方式会受外场影响（磁场诱导电子自旋翻转），怎样的能级排布和自旋方向会有利于我跟外来电子的最优作用（火山图）？
等等等等。。。
类似的想象还有很多，我称之为“身临其境法”，但一不留神就成了“身处梦境法”，非常有助于睡眠，哈哈。
但跟它们处在相同的空间和维度思考，确实帮我想通了很多问题。每当想象出可能的排布、原理、路径之后，就会去查找相关文献和资料、设计实验去验证，久而久之，就能看透很多科学问题。
分享给大家，以上。
转自：“我要做科研”微信公众号
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