《Applied Catalysis A: General》：Interplay between defects, disorder and flexibility in layered double hydroxides
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层状双氢氧化物（LDHs）中缺陷、无序性和柔性的协同作用及其对电子结构与催化性能的影响。通过原位XAFS、TEM等表征技术结合DFT、MD和PDF分析，揭示这些结构特征如何共同调控材料性能，并探讨合成、实时分析与机器学习整合的未来方向。
李少全|吴珊珊|李子贤|白晓珏|徐鹏辉|赵普|李光超|郭晓晓|赵玉飞
中国北京化工大学化学资源工程国家重点实验室，北京100029
摘要
高效催化剂的合理设计对于清洁能源转换和可持续生产至关重要。当前的研究不仅限于新材料的发现，还日益寻求理解内在结构特征如何控制功能性能。其中，缺陷、无序性和灵活性在调节材料性质方面起着重要作用。本综述重点关注层状双氢氧化物（LDHs），这是一类具有良好催化性能的二维材料。我们研究了LDHs中的缺陷、结构无序性和层状灵活性如何共同影响电子结构、动态响应以及最终的催化活性，强调了它们的熵学起源和协同作用。先进的表征技术，包括原位X射线吸收精细结构（XAFS）、TEM，以及多尺度模拟（如密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）和配对分布函数（PDF）分析，被确定为将原子尺度结构与宏观行为联系起来的不可或缺的工具。尽管取得了显著进展，但仍存在重大挑战，特别是在合成过程中精确同时控制缺陷、灵活性和无序性，以及在操作条件下的动态表征。展望未来，结合靶向合成、原位分析和机器学习指导的设计的方法将对于开发具有增强功能的下一代LDHs至关重要，这些LDHs将在催化、环境修复和生物医学领域发挥重要作用。
引言
随着世界经济的发展和化石能源的日益枯竭，开发清洁和可再生能源已成为一个紧迫的问题。开发高效催化剂是解决能源转换和清洁生产问题的关键。最近的研究越来越多地集中在对已知结构的深入研究上，这对于提高材料性能非常必要。在纳米尺度上，材料结构往往偏离理想的周期性晶体，使得基于完美晶格的传统结构-性质模型不足以描述真实材料的行为。[1] 这些偏差不仅由能量考虑驱动，而且根本上是由焓和熵之间的相互作用引起的。维度降低、高表面积与体积比以及浅势能景观放大了构型熵和振动熵的作用。[2] 因此，纳米材料的真实结构和电子状态最好通过三个相互交织的概念来描述：缺陷、无序性和灵活性。
缺陷破坏了局部对称性，引入了电子非均匀性，产生了局域态，改变了带边，并生成了对于电荷传输、光学响应和催化至关重要的活性位点[3]，[4]，[5]。灵活性定义为结构在刺激下调整其局部配位和几何形状的能力，它直接将晶格动力学与电子结构和功能性能联系起来[6]。无序性源于缺陷的积累和结构波动，改变了电子态密度、载流子局域化和传输路径，有时会稳定在完美晶体中无法达到的非平衡或玻璃态[7]。例如，在金属有机框架（MOFs）中引入无序性已被证明可以提高其在吸附、催化、传感和药物输送等应用中的性能。[2] 关键的是，这些方面是协同的：缺陷通常增强局部灵活性，灵活性可以促进动态或静态无序性，而无序性反过来又可以修改缺陷的分布和电子影响。
层状双氢氧化物（LDHs）是一类具有优异催化性能的二维材料，体现了这种复杂的相互作用。[8]，[9] 它们的通用公式为
