第一作者：Lei Wang, Zhenhua Zeng
通訊作者： Chao Wang, Jeffrey Greeley,Zhenhua Zeng
通訊單位：約翰霍普金斯大學、普渡大學
研究亮點：
1. 發(fā)展了一種直接通過催化劑內(nèi)在應力來產(chǎn)生本征應變，從而調(diào)控電催化活性的新策略。
2. 系統(tǒng)研究了二維Pd納米片厚度和應力、應變、催化活性之間的關(guān)系。
為什么要研究金屬催化劑的應變？
應變可以改變金屬的電子性質(zhì)，從而增強電催化活性，是調(diào)整催化劑活性的有力策略。研究表明，即便是1%的微小應變，也可以使Pt納米材料的ORR性能提高3倍以上。
崔屹團隊通過充放電控制催化劑應力的示意圖/Science
Haotian Wang, Shicheng Xu, Yi Cui et al. Direct and continuous strain control of catalysts with tunable battery electrode materials. Science 2016, 354, 6315, 1031-1036.
概括地來說，通過應力調(diào)控金屬納米催化劑的晶格應力的代表性方法主要有2種：
1）利用材料的晶格不匹配產(chǎn)生應力。其問題在于：要么不同金屬原子之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，要么表面穩(wěn)定性發(fā)生變化，使得無法單獨控制和調(diào)控應力的作用
2）將金屬催化劑沉積于平面基底上，通過外力或者溫度產(chǎn)生應力。其問題在于：合適的基底非常少，絕大部分基底都不適合于電催化。
本研究擬解決的關(guān)鍵問題
如果表面應變來自于非均相基底所施加的外部作用力施加，很容易受到界面重構(gòu)或者納米形貌的影響，從而導致應變釋放，失去催化活性增強效應。因此，如何構(gòu)建更穩(wěn)定、有效的應變調(diào)控策略，是增強電催化活性的關(guān)鍵問題。
成果簡介
有鑒于此，約翰霍普金斯大學的Chao Wang和普渡大學的Jeffrey Greeley，Zhenhua Zeng團隊合作，發(fā)展了一種直接通過二維金屬納米片表面應力來誘導本征應變，從而調(diào)控電催化活性的新策略。
圖1. 鉑族金屬和幣族金屬的表面應力、晶格應變、和體積模量之間的關(guān)系
要點1. 二維Pd納米片的優(yōu)勢
研究人員選取少層二維Pd納米片作為研究對象，其優(yōu)勢在于：
1）這些二維納米結(jié)構(gòu)不含催化劑-基底界面；
2）兼具單晶催化劑的高比活性與傳統(tǒng)納米顆粒的高表面積兩大優(yōu)勢。
圖2. Pd納米片結(jié)構(gòu)表征
要點2. 二維Pd納米片厚度很重要
研究人員通過DFT分析確定了納米片厚度及其表面應力合產(chǎn)生的應變之間的關(guān)系。結(jié)果表明，厚度為1至12層的納米片具有最高達到10％的可調(diào)控的應變，且應變大小與厚度成反比。
圖3. Pd納米片厚度對吸附能和ORR活性的影響
要點3. 電催化活性調(diào)控
研究人員合成出原子尺度精確的不同厚度的超薄Pd納米片，通過HRTEM成像表征晶格間距來驗證DFT所預測的本征應變能力和電催化活性的調(diào)控。ORR和HER實驗表明，在堿性和酸性環(huán)境中，Pd納米片可以比Pd和Pt納米粒子的反應活性提高一個數(shù)量級以上。
圖4. 活性炭負載Pd納米片電催化活性
小結(jié)
這項研究表明，二維納米片中存在的內(nèi)在應變可以成為設計和開發(fā)先進催化材料的有力策略！
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參考文獻：
Lei Wang, Zhenhua Zeng, Zhenhua Zeng, Chao Wang, Jeffrey Greeley et al. Tunableintrinsic strain in two-dimensional transition metal electrocatalysts. Science2019, 363, 870-874.
http://science.sciencemag.org/content/363/6429/870
