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南京大学Nature子刊：各向异性热膨胀调节连续应变，有效提升OER活性

时间：2024-03-14 来源： 浏览：

南京大学Nature子刊：各向异性热膨胀调节连续应变，有效提升OER活性

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可再生电力驱动的电化学水分解技术为可持续利用水资源生产清洁氢燃料提供了一种理想的策略。然而，水电解过程中的析氧反应(OER)过电位过高成为大规模制氢的瓶颈。因此，迫切需要开发高效、稳定的OER催化剂来克服这一挑战。对于OER，d带中心与吸附态和金属d态之间的相互作用能密切相关，从而决定了OER的动力学。应变工程在通过晶体中的压应变或拉应变来优化过渡金属基催化剂的d带中心方面特别有效。为了促进应变工程在OER中的应用，迫切需要找到一种简单的方法在材料中产生可变应变。
热能可以很容易地利用和调节产生各种热物理效应。特别是，起源于桥原子横向振动引起微结构变形的各向异性热膨胀，可能产生应变。因此，可以利用热膨胀效应作为一种方便的途径来产生不同的应变在OER催化剂。
基于此， 南京大学闫世成 课题组通过加热Sr 2 IrO 4 各向异性热膨胀材料以产生热应变，以验证这一想法在调节材料的电子状态的有效性。实验结果显示，在热刺激下，Sr 2 IrO 4 催化剂中的IrO 6 八面体会产生压缩应变，从而使d带中心下移。因此，OER中间体与Ir活性物种之间的结合强度被优化以降低催化反应能垒，从而按照非线性Arrhenius关系加速OER动力学。
电化学性能测试结果显示，从20 °C加热到90 °C，Sr 2 IrO 4 达到10 mA cm −2 电流密度所需的电位从1.55 V降低到1.40 V。考虑到OER热力学势的温度依赖性，过电位从312 mV降低到235 mV，Tafel斜率从90.32 mV dec −1 下降到45.14 mV dec −1 ，大大加速了OER动力学。
总的来说，该项研究结果表明，热刺激产生压应变是调控具有各向异性热膨胀的Sr 2 IrO 4 电子态的有效途径，超越了传统的热扩散效应，显著提高了OER性能。
Continuous strain tuning of oxygen evolution catalysts with anisotropic thermal expansion. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46216-9
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