崔屹最新Science：LiCoO2充放電調節催化劑晶格應變增強ORR活性

【引言】

隨著能源緊缺問題日益凸顯，大量的科研人員在新能源領域進行了廣泛而深入的研究。對于可再生能量轉換過程的高效電催化劑研究則變得越來越重要。通過調控晶格應變（如壓縮或拉伸）改變表面原子的間距，可以有效地調節表面電子結構，從而調控催化活性是一種作用顯著的方法。然而，目前在這方面的幾種嘗試，都因引入其他物質（核殼結構或基底）而未能取得滿意的效果，這就需要一種無須引入新物質就能進行有效探索的新方法。

【成果簡介】

北京時間2016年11月25日，斯坦福大學崔屹教授團隊利用鋰離子電池電極材料作為催化劑載體，通過廣泛可調的晶格常數來調節催化劑應變從而調整其對氧還原反應（ORR）的催化活性。鋰離子在充放電插入或者脫離電極的過程中，會導致電極材料的體積和晶格間距發生變化，導致3%的體積效應，可以實現精確控制，并且微小的應變便能有效調控Pt的活性，具有良好的普適性，但目前還處于基礎研究階段。若想真正實用，還需要繼續開發大規模制備催化劑和調控應力的方法。

【圖文導讀】

圖1 LCO基板的晶格常數變化以及晶格應變如何誘導成Pt NPs的示意圖。

（A）通過電化學提取鹵化物，LCO的Co-O層間距由4.69埃增加到4.82埃的示意圖。

（B）通過鋰離子插入Co-O層引起Pt NPs壓縮，進行不同取向非外延生長ALD的示意圖。

（C）XRD顯示誘導到基材上Pt NPs的拉伸和壓縮應變示意圖。

圖2 原始和具有（111）晶格壓縮和拉伸應變時Pt NPs的高分辨率TEM圖像。

（A和B）分別為L_0.5CO-Pt和L_0.5CO-Pt_C的（111）面間距區域的TEAM圖像。

（C）原始和壓縮的Pt沿（111）間隔方向（垂直于平面）的積分像素強度圖。

（D）分別為原始和壓縮的Pt（111）晶格條紋的底層用于晶格約束圖像。

（E和F）分別為LCO-Pt和LCO-Pt_T的TEAM圖像。

（G）（111）間距增加2.42埃，大于5％的拉伸應變圖。

（H）拉伸應變的直接證據，LCO-Pt_T的頂部原子層比LCO-Pt的頂部原子層高。

圖3原始的和存在應變時Pt NPs的ORR活性（0.1 M KOH，O₂飽和條件）的電化學表征

（A）分別為L_0.5CO-Pt，L_0.5CO-Pt_C，LCO-Pt和LCO-Pt_T的ORR極化曲線。

（B）原始和應變Pt NPs的循環次數-電流密度曲線。

（C）在0.84 V下相對于RHE的ORR活性比較柱狀圖。

（D）在10,000 次CV循環之前和之后壓縮性L_0.5C0-Pt_C相對于RHE的ORR極化曲線。

圖4? 單軸應變對Pt ORR活性的影響的理論預測

（A）O *，OH *和OOH *中間體的結合能以及過電壓η的變化對單軸應變的函數曲線。

（B）在0.76 V下的ORR的自由能曲線，其中單軸應變引起穩定性的變化如圖所示。

（C）限制電位對△G_OH的曲線，其中U _L隨著壓縮應變的增加而改善。

（D）實驗半波電位的變化與由應變引起的理論超電位的變化之間的比較曲線。

【展望】

這種通過電極材料來控制納米催化劑應力，并實現催化活性控制的策略具有良好的普適性，且不會受到其他因素的干擾。此外對于基礎研究，實際應用中還可以通過包括大規模合成和應變調整的方法（例如Pt的溶液涂覆，水溶液電化學調諧或Li離子的化學萃取/插層）來擴展。 對其他類型的電池電極材料（例如層狀MoS₂，TiO₂，Bi₂ Se₃和黑磷）也將具有良好的研究借鑒意義。

文獻鏈接：Direct and continuous strain control of catalysts with tunable battery electrode materials（Science，2016，DOI: 10.1126/ science.aaf7680）

本文由材料人編輯部新能源學術組 xiaohuanzi 供稿，材料牛編輯整理。

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