「上海岱算科技有限公司」已向境内外230余家高等院校/科研院所提供了累计1400多项模拟计算服务，赋能科学研究提速增效！合作实验课题组在线发表学术论文期刊有ACS系列、AM系列、Angew、CEJ、EST、JACS、Matter、Nature子刊等，助力科研工作锦上添花！催化热点效应是光催化领域已被广泛研究的现象，指的是在介观尺度上具有更高催化活性的区域，电催化中是否存在类似效应是一个值得探索的有趣问题。
2026年04月13日，深圳大学王进团队在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Electrocatalytic Hotspots in Hierarchical Structures with Ion-Pump Effect Enable High-Selectivity Synthesis of 2,5-Furandicarboxylic Acid From 5-Hydroxymethylfurfural in Neutral Electrolyte”的研究论文，团队成员胡志为论文第一作者，王进为论文通讯作者。
第一作者：胡志
通讯作者：王进
通讯单位：深圳大学
论文DOI：10.1002/anie.3041586
该研究合成了具有针状、棒状、片状和块状形貌的分级结构NiCo₂O₄催化剂，并用于探索电催化中的热点效应。其中，针状分级结构催化剂表现出最佳性能，在中性电解液中实现了从5-羟甲基糠醛到2,5-呋喃二甲酸（FDCA）的93%产率，该性能与碱性条件下的结果相当，而其他形貌的产率均低于40%。原位拉曼光谱表明，这一优异的催化性能源于针状催化剂表面局域的高pH微环境。有限元模拟揭示，这种高pH环境与高密度的棱角位点有关，这些位点处的电场高度集中，从而形成催化热点。这些热点能够通过吸引阴离子并使其随后扩散到周围区域，起到离子泵的作用。该离子泵效应建立了一个碱性局域微环境，极大地提升了FDCA的产率。该研究表明，可以通过热点工程调控多相电催化剂的表面微环境，从而为催化剂设计提供了一种新策略。
在电催化领域，如何突破传统体相反应环境的限制，通过催化剂的结构设计主动调控局域反应微环境，是提高反应效率和选择性的前沿方向。在相关策略中，“催化热点”（即催化剂表面具有异常高本征活性或独特局域环境的介观位点）的概念为实现这一目标提供了关键见解。这种现象已在光催化中得到广泛验证，可以显著提高局域光生载流子浓度和局域温度。然而，在电催化等其他催化领域是否存在类似现象尚未得到系统研究。
近期研究表明，具有独特形貌的电催化剂可以产生局域增强电场，从而提高催化性能。例如，Sargent等人观察到，在CO₂还原反应（CO₂RR）中，针状Au催化剂的尖端会产生增强的电场，从而提高了电流密度和产物选择性。然而，现有研究主要集中于所谓的尖端效应，且该效应是在单个纳米尺度物体上被证实的，因此对催化热点效应的深入系统研究仍有所欠缺。在此背景下，具有复杂结构的分级催化剂的合理设计，为在电极表面系统构建和研究催化热点提供了一种极具前景的策略。分级结构通常是指不同维度（例如零维颗粒、一维纳米线/纳米管和二维纳米片）的纳米单元有序组装而成的体系。通过对每个结构级别的形貌、尺寸和界面特性进行精细设计，有望实现对催化热点的精确编程，从而定向优化特定的反应步骤。
在此，通过合成具有多种形貌的NiCo₂O₄催化剂并调控催化热点以调节界面微环境，成功实现了在中性电解液中将HMF转化为FDCA，且产物选择性与碱性环境中相当。其中，具有最优形貌的针状NiCo₂O₄催化剂表现出最佳性能，在1.5V（vs RHE）电位下实现了100%的HMF转化率和93%的FDCA选择性。这表明中性环境中的反应可以达到与碱性介质相当的性能水平。拉曼光谱结果表明，针状分级结构NiCo₂O₄催化剂具有最高的表面OH⁻离子浓度，这促进了具有高HMFOR活性的NiOOH物种的形成，从而能够在中性电解液中高效地将HMF转化为FDCA。有限元模拟证实，其优异的催化性能归因于针状样品中丰富的电催化热点。这些热点主要位于结构的棱角处，能够产生局域增强电场。在催化过程中，其像离子泵一样发挥作用，持续吸附OH⁻离子并促进其向周围区域扩散。这一过程建立了一个局域高pH微环境，从而显著提高了催化效率和FDCA选择性。
图1 | (a) 几种NiCo₂O₄分级结构催化剂的示意图；(b-e) NiCo₂O₄-N、NiCo₂O₄-R、NiCo₂O₄-S和NiCo₂O₄-B的SEM图像；(f-i) NiCo₂O₄-N、NiCo₂O₄-R、NiCo₂O₄-S和NiCo₂O₄-B的TEM图像；(j-m) NiCo₂O₄-N、NiCo₂O₄-R、NiCo₂O₄-S和NiCo₂O₄-B的HADDF-TEM图像及EDS元素面分布图。
图2 | (a) 不同形貌NiCo₂O₄分级结构催化剂的XRD图谱；XPS谱图：(b) Ni 2p、(c) Co 2p和(d) O 1s；(e) 基于XPS分析得出的不同NiCo₂O₄样品中化学态的比较；(f) 基于EIS拟合得出的不同催化剂ECSA的比较。
图3 | (a) HMFOR反应路径示意图；(b) 不同NiCo₂O₄催化剂用于HMFOR的LSV曲线（10 mL 1 M KHCO₃，20 mM HMF）；(c) 不同NiCo₂O₄催化剂催化HMFOR的产物分布；(d) 加入HMF后不同催化剂的开路电位（OCP）变化；(e) 不同催化剂的CV曲线比较；(f) 表面CO₃²⁻/HCO₃⁻物种的拉曼光谱分析，以及(g) 不同催化剂上该物种的强度比。
图4 | 不同几何模型的电场和离子浓度分布的有限元模拟。(a) 两排小球模型（类似于NiCo₂O₄-N）中的电场分布，(b) 多排小球模型（类似于NiCo₂O₂-R和NiCo₂O₄-S）中的电场分布，以及(c) 大球模型（类似于NiCo₂O₄-B）中的电场分布。(d-f) 相应模型模拟得到的离子浓度分布。
图5 | (a) 不同HMF浓度下的LSV曲线（10 mL 1 M KHCO₃）；(b) 产物分布随施加电位的变化关系（10 mL 1 M KHCO₃，20 mM HMF）；(c) 反应过程的原位红外光谱；(d) 稳定性测试的i–t曲线以及(e) 稳定性测试期间对应的产物分布（10 mL 1 M KHCO₃，20 mM HMF，1.5 V（vs RHE），3 h）。NiCo₂O₄-N在1 M KHCO₃中无HMF时(f) 以及有20 mM HMF时(g) 的原位电化学阻抗谱波德相位图；(h) 反应过程的原位拉曼光谱；(i) 加入20 mM HMF前后的拉曼光谱变化。
总之，该研究通过证明在NiCo₂O₄催化剂中，经设计的特定介观结构能够产生非均匀电场以形成功能性热点，成功地将催化热点的概念从光催化拓展到了电催化领域。有限元模拟证实，催化热点主要位于催化剂的棱角单元处。在反应过程中，这些热点像离子泵一样发挥作用，吸附OH⁻并促使其向周围区域扩散，从而在催化剂表面创造一个强碱性的微环境。因此，拥有最高密度此类催化热点的针状NiCo₂O₄催化剂，在中性条件下实现了100%的HMF转化率和93%的FDCA选择性。该方法不仅确保了高FDCA选择性，还有效抑制了碱性环境中HMF通常发生的自发副反应。该研究通过构建在功能上模拟原子尺度活性位点的介观活性位点，确立了电催化剂设计的一个普适性原则，并为提升所研究的HMFOR模型反应之外的电催化反应性能提供了一条通用途径。
