Engineering Orbital Hybridization in Advanced Electrocatalysts for Energy Conversion: Fundamentals, Modulations, and Perspectives

材料科学 分子轨道 原子轨道 轨道杂交 非键轨道 电催化剂 纳米技术 分子轨道理论 化学物理 碎片分子轨道 轨道重叠 价(化学) 化学 电化学 电极 物理 分子 电子 量子力学
作者
Xian‐Wei Lv,Jiaxing Gong,Shuyu Wang,Xuhuan Yan,Congkai Sun,Xiuli Hu,Zhuangzhuang Lai,Yuping Liu,Haifeng Wang,Zhong‐Yong Yuan,Jianxin Geng
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (30) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/aenm.202501129
摘要

Abstract Catalytic coordinates are essentially the dynamic interactions of frontier orbitals when interacting with electrocatalysts and adsorbates under optimal reaction conditions. Flexible modifications in orbital hybridization enable intrinsic control over both the thermodynamics and kinetics of electrochemical reactions. However, systematic depictions of this phenomenon in electrocatalysis are currently lacking, despite being extremely important. In this tutorial review, a comprehensive interpretation of orbital hybridization involved in the catalyst system and its role in electrocatalysis is provided. This review starts with the fundamentals of orbital hybridization, covering basic theories (valence bond theory, hybrid orbit theory, molecular orbital theory, and frontier orbital theory), classifications (binary‐ and multi‐orbital interactions), and descriptors (such as orbital overlap degree, energy level matching, and Fermi energy level). It further introduces the key roles of orbital hybridization in manipulating the intrinsic activity, selectivity, and stability of electrocatalysts, as well as extending the device lifespan. Recent advances in tuning orbital hybridization for enhanced electrochemical reactions (e.g., HER, OER, ORR, NRR, and CO 2 RR) through various strategies (external field modulation, electronic structure modulation, geometric structure modulation, and coordination microenvironment regulation). Challenges and perspectives for future research related to orbital hybridization are discussed at the end.
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