近日，受英國皇家化學(xué)會materials horizons期刊執(zhí)行主編michaela muehlberg的邀請，我校張博威副教授等發(fā)表了題為“strain engineering of electrocatalysts for hydrogen evolution reaction”的綜述論文，系統(tǒng)總結(jié)了電解制氫領(lǐng)域的應(yīng)變工程最新研究進展并作出展望。
氫能，作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源，是未來構(gòu)建以清潔能源為主的多元能源供給系統(tǒng)的重要載體，其開發(fā)與利用技術(shù)已成為新一輪世界能源技術(shù)變革的重要方向。電解水制氫被視為實現(xiàn)“雙碳”目標的必由之路。提高析氫電極的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)務(wù)之急。
應(yīng)變工程作為一種有效的材料調(diào)控手段，在優(yōu)化催化電極的產(chǎn)氫性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。相比于其他結(jié)構(gòu)調(diào)控工程策略，應(yīng)變工程實施成本低且操作簡單，有望極大降低電極制造成本及制氫電耗。然而，當(dāng)下應(yīng)變工程應(yīng)用于析氫領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，在應(yīng)變效應(yīng)解耦、理論機理等方面尚未有系統(tǒng)認識，在實際生產(chǎn)制造中也存在諸多問題和難點，為該技術(shù)的后續(xù)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。
圖片說明：近年來應(yīng)變工程研究趨勢分布
本論文立足多學(xué)科交叉，一方面系統(tǒng)總結(jié)了應(yīng)變引入的策略，采用電子顯微與光譜相結(jié)合的原位表征技術(shù)，實現(xiàn)對應(yīng)變-結(jié)構(gòu)調(diào)控機理的深入分析；另一方面通過討論應(yīng)變效應(yīng)對納米多金屬、二維非貴金屬和單原子催化材料的析氫性能影響，提出了應(yīng)變工程在提高析氫催化電極性能方面的顯著作用，重點報道了其對于催化電極電子結(jié)構(gòu)-產(chǎn)氫性能之間的調(diào)控機制，為制氫電極的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
圖片說明：應(yīng)變工程的引入策略、先進表征技術(shù)和析氫應(yīng)用
應(yīng)變工程對于催化電極產(chǎn)氫性能的優(yōu)化，本質(zhì)在于對催化電極的催化劑電子結(jié)構(gòu)進行物理調(diào)控。將拉伸應(yīng)變引入催化電極后，其d帶中心向費米能級遷移，電極催化層界面與吸附中間產(chǎn)物h/oh的相互作用增強；反之在壓縮應(yīng)變下，d帶中心下移，界面與析氫中間產(chǎn)物相互作用減弱，對析氫性能的影響也呈現(xiàn)相反的影響趨勢。立足應(yīng)變工程及材料物理化學(xué)調(diào)控，該工作的發(fā)表有望為跨學(xué)科析氫研究以及先進制氫電極的設(shè)計制造提供指導(dǎo)。
圖片說明：應(yīng)變工程用于提高析氫性能的作用機制
上述研究工作主要由我校機械與動力工程學(xué)院碩士研究生茅鑫園等在張博威副教授和軒福貞教授共同指導(dǎo)下完成。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科委“碳中和”基礎(chǔ)研究特區(qū)和上海市海外高層次人才等項目的支持。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d2mh01171a
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