国家纳米科学中心在二维纯碳催化剂的应变效应研究方面取得新进展

国家纳米科学中心在二维纯碳催化剂的应变效应研究方面取得新进展

引用

中国科学院

1.

https://nanoctr.cas.cn/zytp2017/202502/t20250227_7541384.html

国家纳米科学中心研究团队在二维纯碳催化剂的应变效应研究方面取得重要进展。他们通过精确调控高定向热解石墨（HOPG）的表面应变，首次建立了石墨碳表面应变与其氧还原反应活性之间的关系，为碳催化剂的设计提供了新的思路。

碳作为金属或氧化物催化剂的常用载体，其结构的多样性和复杂性常常导致其本身在催化中的作用被忽视。为了深化对碳固有催化性能的理解，研究团队采用了一种创新的方法——应变工程。与传统的原子掺杂、缺陷工程和合金化方法相比，应变工程可以直接作用于活性位点的配位环境，从而影响电子态，是一种调节材料催化活性的有效工具。

研究团队以HOPG作为模型催化剂，通过对其工作电极施加连续可控应变，实现了在电解液环境中的应变实时加载和电催化性能的同步测试。实验结果表明，虽然单纯的拉伸应变不能大幅激活HOPG的面内和边缘碳位点，但当结构包含面内缺陷时，催化活性与拉伸应变之间存在明确且可复现的依赖关系。具体而言，施加0.6%的拉伸应变可以使HOPG的氧还原反应（ORR）活性提高约35%。

密度泛函理论计算进一步揭示了这一现象的机理：在特定缺陷上施加适当的应变可以优化反应中间体的吸附强度，从而降低反应能垒并改变速率决定步骤。特别是石墨烯上的Stone-Wales缺陷，被发现主导了与应变效应相关的整体电催化活性调控行为。

这项研究不仅阐明了纯碳催化剂的本征应变对电化学催化性能的影响，还为理解纯碳催化剂的催化机制提供了新的视角。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。