综述：利用先进的透射电子显微镜对催化剂进行实空间表征

实时透射电镜技术推动催化剂研究从均相分析转向原子级结构-性能关系解析，涵盖单原子催化剂的元素选择、异原子掺杂及界面电场调控，纳米团簇形成中的对称性破缺机制，以及多尺度动态演变与宏观催化性能的关联，为高精度催化剂设计提供新范式。

　　

摘要

催化剂是现代化学工业、能源转换和环境保护领域的核心要素。精确调控其性能对于实现高效、低消耗和可持续的化学过程至关重要。随着表征技术的快速发展，尤其是实空间透射电子显微镜技术，催化研究正从平均场分析转向阐明局部原子级别的结构-性能关系。本文综述了催化剂在实空间中的结构-性能关系，并系统地探讨了透射电子显微镜技术在揭示催化剂多尺度内在性质方面的关键作用。文章首先从孤立原子的势能函数调控入手，讨论了元素选择、双原子协同效应、异原子掺杂以及界面电场对单原子催化剂电子结构和催化活性的影响。随后，深入分析了当原子聚集形成纳米团簇和纳米颗粒时，晶格、电荷、轨道和自旋等自由度对称性破缺所导致的性能优化机制和表征策略。最后，本文展望了催化剂在原位热催化、气相催化和液相催化环境中多尺度动态结构演变与宏观性能之间的复杂关联，并强调了原位电子显微镜技术在捕捉实际反应场景下催化剂动态行为方面的关键进展。本文旨在提供实空间视角的见解，并展望将电子结构的实空间特征与态密度和d带理论的动量空间特征相结合的未来发展方向，以实现高性能催化剂的准确预测和合理设计。