近日，受英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)materials horizons期刊執(zhí)行主編michaela muehlberg的邀請(qǐng)，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(jìn)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(lái)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(kāi)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(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)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(shí)施成本低且操作簡(jiǎn)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(jī)理等方面尚未有系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)制造中也存在諸多問(wèn)題和難點(diǎn)，為該技術(shù)的后續(xù)發(fā)展帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

圖片說(shuō)明：近年來(lái)應(yīng)變工程研究趨勢(shì)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(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變-結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)理的深入分析；另一方面通過(guò)討論應(yīng)變效應(yīng)對(duì)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(diǎn)報(bào)道了其對(duì)于催化電極電子結(jié)構(gòu)-產(chǎn)氫性能之間的調(diào)控機(jī)制，為制氫電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

圖片說(shuō)明：應(yīng)變工程的引入策略、先進(jìn)表征技術(shù)和析氫應(yīng)用

應(yīng)變工程對(duì)于催化電極產(chǎn)氫性能的優(yōu)化，本質(zhì)在于對(duì)催化電極的催化劑電子結(jié)構(gòu)進(jìn)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(fèi)米能級(jí)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(qiáng)；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(duì)析氫性能的影響也呈現(xiàn)相反的影響趨勢(shì)。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(jìn)制氫電極的設(shè)計(jì)制造提供指導(dǎo)。

圖片說(shuō)明：應(yīng)變工程用于提高析氫性能的作用機(jī)制

上述研究工作主要由我校機(jī)械與動(dòng)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(guó)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(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d2mh01171a