非均相還原電催化在水電解、二氧化碳電還原等可持續能源和環境修復中發揮著重要作用。具有復雜結構的陰極納米電催化劑表現出優異的催化活性和對目標產物的選擇性。目前，已報道的球形、圓錐形、棒狀、棱柱狀、針狀和更復雜的結構，包括三維（3D）分層納米花、納米片、多孔泡沫和籠狀多孔球等，已被用作電還原CO₂（CO₂RR）和O₂（ORR）及析氫反應（HER）的催化劑。但是，具有復雜納米形態的電催化劑的長期結構穩定性（工業應用所必需）仍然難以實現。考慮到形狀復雜的陰極納米電催化劑的應用范圍，了解在電催化過程中決定其結構穩定性的因素對該領域至關重要。然而，現在僅有一小部分關于復雜形狀納米催化劑的報道中提到了它們的結構穩定性或連續電解后觀察到的形態變化，總體趨勢有些矛盾和不確定。此外，最近的研究揭示了在CO₂電還原條件下金屬納米球的重構，表明納米催化劑材料在電解過程中具有顯著的流動性。因此，有必要進一步闡明在偏壓下納米催化劑中的結構動力學，以確保復雜納米結構的催化活性特征不是其演化形態的瞬態。

在2021年6月3日，加拿大滑鐵盧大學Anna Klinkova（通訊作者）等人報道了電化學和復雜電流行為如何影響納米級物體及其在電催化過程中的結構穩定性。在文中，作者使用非原位高分辨率掃描電子顯微鏡（SEM）和欠電位沉積（UPD）電化學表面分析方法研究了具有明確定義的金（Au）和鈀（Pd）核籠（CCs）以及支化納米顆粒（BNPs）在陰極電解過程中的結構行為。作者基于實驗觀察趨勢以及密度泛函理論（DFT）和有限元法（FEM）計算相結合，提出了對其結構動力學的描述。具體而言，作者揭示了電化學效應（吸附反應中間體促進的原子遷移）和電效應（電遷移）的相互作用和方向性，而這兩種效應負責驅動材料中的結構轉變。作者認為對于給定的納米形貌，可以通過理論計算來評估在反應條件下表面原子遷移的能量可行性，以及在施加偏壓下結構中電流密度的空間分布來確定易于重構的區域。納米結構的材料及其表面發生的反應對結構變化的程度和速率起著重要的作用。總之，該工作中研究的一系列具體實例說明了陰極納米催化劑結構穩定性的定性趨勢，而理論基礎可作為評估新材料電化學結構行為的預測方法。

Interplay of electrochemical and electrical effects induces structural transformations in electrocatalysts. Nature Catalysis, 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00624-y.