近日，华南师范大学兰亚乾教授和刘江教授的AMR述评文章“Multiscale Engineering and Multiphysics Control of Molecular-Based Crystalline Materials in Electrocatalytic Reactions”在线发表。文章系统总结了团队在分子基晶态材料（MCMs，包括超分子组装体、金属有机簇合物、MOFs、COFs）在电催化反应中的多尺度结构工程与多物理场调控策略的研究进展，围绕催化活性区域（包括金属活性位点、配体和配位环境），结合光、热外场耦合，显著提升电催化活性，同时展望了分子基材料在该领域的应用前景。

关键词：分子基晶态材料，多尺度工程，多物理场调控，电催化反应

文章内容简介

在“双碳”目标与可再生能源革命的浪潮中，电催化技术正成为绿色能源转化的核心引擎。然而，高反应能垒、缓慢动力学、产物选择性难控等难题，一直制约着电催化技术的高效落地。分子基晶态材料，涵盖超分子组装体、配位簇、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）四大核心体系，凭借高度有序晶体结构、分子级可设计性、活性位点精准可控的独特优势，成为构建精准构效关系、破解电催化瓶颈的理想平台。研究团队提出催化活性区（CAR）理念，突破单一活性位点调控局限，从微观电子结构到宏观晶体形貌实现多尺度精准操控。从微观尺度方面，精准调控金属中心、配位环境与有机配体，通过双金属协同、卤素配位修饰、空间构型优化，大幅降低反应能垒。介观尺度依托多孔框架与次级配位环境，构建质子泵、催化陷阱等功能微环境，稳定反应中间体、强化底物富集。羟基修饰的酞菁COFs，借助氢键限域效应，将O₂还原制乙烯选择性大幅提升。宏观尺度方面，通过调控晶体形貌与暴露晶面，提升活性位点利用率与传质效率。

此外，部分研究工作突破单一电场驱动局限，创新融合光、热、电多物理场耦合策略，让催化效率再攀高峰。光热响应型COF催化剂，实现CO₂还原与甲醇氧化协同催化，系统电能消耗降低31.5%；光电双响应PMOF材料，可按需切换CO₂还原产物，CO与甲烷选择性分别突破99%与97%；钛氧簇基双功能催化剂，同步实现阳极污染物降解与阴极产氢，120分钟内污染物降解率超99%。

从实验室基础研究到工业化应用，分子基晶态材料电催化技术正快速突破：未来将聚焦活性、稳定性、导电性协同优化，工业化工况适配，物理场智能催化，复杂反应集成四大方向，为绿氢制备、CO₂高值化利用、精细化学品合成等领域提供核心支撑。

您选择该领域的初心是？

作者团队：

我们希望分子基晶态材料能够破解能源转化难题，以基础研究服务国家双碳战略。当前电催化普遍存在活性位点不清、构效关系模糊、产物选择性难控等问题，传统催化剂难以实现理性设计。而分子基晶态材料结构精准、可设计性强，是建立清晰构效关系的理想平台。若从原子与分子层面开展多尺度调控与多物理场耦合研究，揭示催化本质，实现CO₂还原、氧析出等反应的高效与定向转化。我们深耕基础研究，力求把实验室成果推向实际应用，为绿氢制备、CO₂高值化利用提供核心技术支撑，用科学力量守护绿色发展，这便是我坚守的初心与使命。

您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

我期待分子基晶态材料电催化领域，能真正从实验室走向产业实用化。未来我们将持续突破导电性、稳定性与工业化工况适配难题，建立成熟的多尺度调控与多物理场耦合体系，实现CO₂高值转化、绿氢制备等关键反应的高效定向催化。希望把实验室的精准催化模型，变成可规模化、低成本的实用技术，为双碳目标提供核心支撑。我也期盼更多青年人才加入，共同推动我国在绿色电催化与先进材料领域领跑全球，用原创成果赋能清洁能源产业，让精准催化服务于可持续发展。

您有什么科研心得想分享给读者们？

作者团队：

做科研这些年，我最深的心得是三句话：选真问题、做深机理、守平常心。我们做电催化与分子基晶态材料研究，始终紧盯“双碳”与能源转化的真实需求，不追虚热点，只啃真难题。科研不是盲目试错，而是从机理出发、从结构入手，把每一步调控、每一个现象讲清楚，才能做出真正有价值、可重复、可推广的工作。其次，基础研究要耐得住寂寞。从晶体合成到性能测试，从原位表征到理论计算，往往反复千百次才有一点突破。但正是这些看似枯燥的积累，才能搭建起从分子设计到实际应用的桥梁。最后，保持热爱与专注。把小方向做深、把小问题做透，长期坚持就会形成自己的优势。希望大家坚守初心、脚踏实地，在自己的领域里深耕不辍，用科研创造真正的价值。

作者团队简介

刘江，华南师范大学教授，博士生导师，国家级青年人才。长期从事功能金属氧簇及其组装体结构的设计合成及其光/电催化小分子转化（涉及精细化工品、药物分子等）利用研究。目前，以第一或通讯作者身份在Nat. Synth.、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Chem等国际重要学术期刊发表论文100余篇。现担任Sci. China Chem.、Chin. Chem. Lett.、Polyoxometalates等期刊青年编委。

兰亚乾，华南师范大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。长期从事新晶体材料的合成和与清洁能源应用相关的催化研究。主持国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划等项目。担任英国皇家化学会会士，中国化学会高级会员，中国化学会二氧化碳专业委员会副主任委员，中国化学会光化学专业委员会委员，中国感光学会光催化专业委员会副主任委员，中国水利电力医学科学技术会创新医药与医用材料分会常务理事，《中国化学快报（CCL）》副主编，National Science Review学科编辑组成员，Inorganic Chemistry、Nano Research Energy、Rare Metals、Polyoxometalates、《物理化学学报》、《结构化学》等期刊（顾问、青年）编委。

课题组网站：http://www.yqlangroup.com

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Multiscale Engineering and Multiphysics Control of Molecular-Based Crystalline Materials in Electrocatalytic Reactions

Rui Wang, Ning Li, Jiang Liu*, and Ya-Qian Lan*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00378

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