journal article·2025-04Open access

Heterostructured Electrocatalysts: from Fundamental Microkinetic Model to Electron Configuration and Interfacial Reactive Microenvironment

Yun Li, Md. Samim Hassan, Xin Zhao, Andrey L. Rogach

Advanced Materials· Volume 37· Issue 15

Abstract

Abstract Electrocatalysts can efficiently convert earth‐abundant simple molecules into high‐value‐added products. In this context, heterostructures, which are largely determined by the interface, have emerged as a pivotal architecture for enhancing the activity of electrocatalysts. In this review, the atomistic understanding of heterostructured electrocatalysts is considered, focusing on the reaction kinetic rate and electron configuration, gained from both empirical studies and theoretical models. We start from the fundamentals of the microkinetic model, adsorption energy theory, and electric double layer model. The importance of heterostructures to accelerate electrochemical processes via modulating electron configuration and interfacial reactive microenvironment is highlighted, by considering rectification, space charge region, built‐in electric field, synergistic interactions, lattice strain, and geometric effect. We conclude this review by summarizing the challenges and perspectives in the field of heterostructured electrocatalysts, such as the determination of transition state energy, their dynamic evolution, refinement of the theoretical approaches, and the use of machine learning.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Electrocatalysts for Energy Conversion · Advanced Thermoelectric Materials and Devices · Advanced battery technologies research

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Materials Science and Engineering City University of Hong Kong 83 Tat Chee Avenue Kowloon Hong Kong SAR 999077 P.R. China

IT4Innovations VSB – Technical University of Ostrava Ostrava‐Poruba 70800 Czech Republic

References (100+)

Show source-provided references
1. 10.1038/s41612-021-00202-w10.1038/s41612-021-00202-w ↗
2. 10.1038/s43247-024-01625-y10.1038/s43247-024-01625-y ↗
3. 10.1126/science.aad499810.1126/science.aad4998 ↗
4. 10.1021/acsnano.3c0206610.1021/acsnano.3c02066 ↗
5. 10.1002/aenm.20230111910.1002/aenm.202301119 ↗
6. 10.1002/adma.20220886010.1002/adma.202208860 ↗
7. 10.1021/acsnano.2c0460310.1021/acsnano.2c04603 ↗
8. 10.1038/s41929-024-01126-310.1038/s41929-024-01126-3 ↗
9. 10.1021/acsenergylett.7b0020610.1021/acsenergylett.7b00206 ↗
10. 10.1002/adfm.20170684710.1002/adfm.201706847 ↗
11. 10.1016/j.jechem.2020.02.02510.1016/j.jechem.2020.02.025 ↗
12. 10.1002/aenm.20170362310.1002/aenm.201703623 ↗
13. 10.1002/anie.20190876010.1002/anie.201908760 ↗
14. 10.1021/acsami.8b0269110.1021/acsami.8b02691 ↗
15. 10.1016/j.cej.2022.13890510.1016/j.cej.2022.138905 ↗
16. 10.1002/aenm.20160128510.1002/aenm.201601285 ↗
17. 10.1038/s41467-018-06555-w10.1038/s41467-018-06555-w ↗
18. 10.1002/smll.20240310810.1002/smll.202403108 ↗
19. 10.1016/j.cej.2024.15535310.1016/j.cej.2024.155353 ↗
20. 10.1016/j.cej.2022.13778910.1016/j.cej.2022.137789 ↗
21. 10.1016/S0022-0728(72)80485-610.1016/S0022-0728(72)80485-6 ↗
22. 10.1016/j.checat.2023.10062110.1016/j.checat.2023.100621 ↗
23. 10.1039/D3CS00292F10.1039/D3CS00292F ↗
24. 10.1006/jcat.2002.361510.1006/jcat.2002.3615 ↗
25. 10.1016/j.cattod.2013.07.00610.1016/j.cattod.2013.07.006 ↗
26. 10.1016/j.jcat.2004.02.03410.1016/j.jcat.2004.02.034 ↗
27. 10.1021/acs.chemrev.0c0039410.1021/acs.chemrev.0c00394 ↗
28. Thomson J. J. · J. Sci. · 1912 · 23 · 449
29. 10.1063/1.174960410.1063/1.1749604 ↗
30. 10.1016/j.susc.2008.08.01110.1016/j.susc.2008.08.011 ↗
31. 10.1063/1.45820810.1063/1.458208 ↗
32. 10.1038/s41557-022-01100-110.1038/s41557-022-01100-1 ↗
33. 10.1126/science.aac693910.1126/science.aac6939 ↗
34. 10.1039/b417886f10.1039/b417886f ↗
35. 10.1021/cr60019a00110.1021/cr60019a001 ↗
36. 10.1039/tf938340001110.1039/tf9383400011 ↗
37. 10.1002/(SICI)1097-461X(1999)75:4/5<889::AID-QUA54>3.0.CO;2-810.1002/(SICI)1097-461X(1999)75:4/5<889::AID-QUA54>3.0.CO;2-8 ↗
38. 10.1038/nchem.12110.1038/nchem.121 ↗
39. 10.1103/PhysRevB.37.78510.1103/PhysRevB.37.785 ↗
40. 10.1103/PhysRevLett.77.386510.1103/PhysRevLett.77.3865 ↗
41. 10.1016/j.jcat.2006.02.01610.1016/j.jcat.2006.02.016 ↗
42. 10.1039/b800260f10.1039/b800260f ↗
43. 10.1039/b720021h10.1039/b720021h ↗
44. 10.1039/C9EE02697E10.1039/C9EE02697E ↗
45. 10.1038/s41467-024-45522-610.1038/s41467-024-45522-6 ↗
46. 10.1021/jacs.2c0604410.1021/jacs.2c06044 ↗
47. 10.1088/0953-8984/20/6/06423910.1088/0953-8984/20/6/064239 ↗
48. 10.1103/PhysRevLett.99.01610510.1103/PhysRevLett.99.016105 ↗
49. 10.1038/ncomms1543810.1038/ncomms15438 ↗
50. 10.1016/S0360-0564(02)45013-410.1016/S0360-0564(02)45013-4 ↗
51. 10.1038/376238a010.1038/376238a0 ↗
52. 10.1016/j.jcat.2014.12.03310.1016/j.jcat.2014.12.033 ↗
53. 10.1038/s41467-020-14565-w10.1038/s41467-020-14565-w ↗
54. 10.1002/adma.20210710310.1002/adma.202107103 ↗
55. 10.1016/j.carbon.2018.03.04310.1016/j.carbon.2018.03.043 ↗
56. 10.1038/s41524-021-00654-x10.1038/s41524-021-00654-x ↗
57. 10.1038/nchem.222610.1038/nchem.2226 ↗
58. 10.1016/j.jelechem.2010.10.00410.1016/j.jelechem.2010.10.004 ↗
59. 10.1021/ja504193w10.1021/ja504193w ↗
60. 10.1021/jacs.3c0833310.1021/jacs.3c08333 ↗
61. 10.1021/ja993483j10.1021/ja993483j ↗
62. 10.1126/science.aab350110.1126/science.aab3501 ↗
63. 10.1126/science.aad889210.1126/science.aad8892 ↗
64. 10.1021/acscatal.9b0432310.1021/acscatal.9b04323 ↗
65. 10.1021/acscatal.0c0081510.1021/acscatal.0c00815 ↗
66. 10.1038/s41467-021-24182-w10.1038/s41467-021-24182-w ↗
67. 10.1002/aenm.20160046310.1002/aenm.201600463 ↗
68. 10.1002/smll.20190237310.1002/smll.201902373 ↗
69. 10.1002/aenm.20230455910.1002/aenm.202304559 ↗
70. 10.1103/PhysRevLett.108.11610310.1103/PhysRevLett.108.116103 ↗
71. 10.1002/cctc.20090019410.1002/cctc.200900194 ↗
72. 10.1039/c3sc50205h10.1039/c3sc50205h ↗
73. 10.1002/anie.20210663110.1002/anie.202106631 ↗
74. 10.1016/j.jallcom.2021.16211310.1016/j.jallcom.2021.162113 ↗
75. 10.1016/j.chempr.2022.02.00310.1016/j.chempr.2022.02.003 ↗
76. 10.1007/s12274-022-5240-310.1007/s12274-022-5240-3 ↗
77. 10.1002/smll.20220784710.1002/smll.202207847 ↗
78. 10.1039/C9EE01202H10.1039/C9EE01202H ↗
79. 10.1039/C6CS00328A10.1039/C6CS00328A ↗
80. 10.1039/D0CS00962H10.1039/D0CS00962H ↗
81. 10.1039/D1EE01277K10.1039/D1EE01277K ↗
82. 10.1038/nchem.269510.1038/nchem.2695 ↗
83. 10.1038/s41467-020-15873-x10.1038/s41467-020-15873-x ↗
84. 10.1021/acsenergylett.3c0103010.1021/acsenergylett.3c01030 ↗
85. 10.1021/jp508805h10.1021/jp508805h ↗
86. 10.1016/j.nanoen.2016.04.01110.1016/j.nanoen.2016.04.011 ↗
87. 10.1038/s41929-019-0376-610.1038/s41929-019-0376-6 ↗
88. 10.1021/acs.accounts.6b0000110.1021/acs.accounts.6b00001 ↗
89. 10.1038/s41467-021-27909-x10.1038/s41467-021-27909-x ↗
90. 10.1126/sciadv.abb121910.1126/sciadv.abb1219 ↗
91. 10.1021/jp710386g10.1021/jp710386g ↗
92. 10.1021/jacs.7b1210110.1021/jacs.7b12101 ↗
93. 10.1038/s41929-022-00846-810.1038/s41929-022-00846-8 ↗
94. 10.1038/s41560-023-01302-y10.1038/s41560-023-01302-y ↗
95. 10.1021/acscatal.0c0163510.1021/acscatal.0c01635 ↗
96. 10.1002/ange.20220719710.1002/ange.202207197 ↗
97. 10.1002/anie.20170874810.1002/anie.201708748 ↗
98. 10.1016/j.cej.2022.13799110.1016/j.cej.2022.137991 ↗
99. 10.1016/j.apcatb.2023.12323310.1016/j.apcatb.2023.123233 ↗
100. 10.1016/j.apcatb.2021.12066010.1016/j.apcatb.2021.120660 ↗