近日，天津大学材料科学与工程学院朱胜利教授金属功能材料研究团队与日本東北大学、美国约翰斯-霍普金斯大学、南方科技大学陈明伟教授合作在国际知名材料期刊Nano Letters上发表题为“Tuning Electrocatalytic Activities of Dealloyed Nanoporous Catalysts by Macroscopic Strain Engineering”的研究论文，其中2020级博士研究生李启特为该论文第一作者。

过渡金属因其丰富的自然资源、多种氧化态和不饱和的d电子轨道，在许多能源相关的化学和电化学反应中作为活性催化剂发挥着重要作用。应变工程是提高过渡金属催化活性的有效策略之一，因为晶格应变可以改变过渡金属催化剂的d带中心，从而调节反应底物或中间体与催化剂之间的吸附能。然而，在实验上直接将晶格应变应用于纳米颗粒催化剂是具有挑战性，特别是在定量方法上。大多数研究通过晶格失配和缺陷工程引入晶格应变，但这些方法难以精确控制。相比之下，宏观应变工程可通过外部加载直接施加应变，从而实现对催化活性精确调控。去合金纳米多孔催化剂由于其独特的连续多孔纳米结构、大比表面积以及优良的电导和热导特性，近年来受到广泛关注。这些特性有助于促进电子转移，提供更多活性位点，并能应用于高精度的催化性能研究。本研究设计了一种原位应变实验，定量测量了宏观弯曲应变与纳米多孔金（NPG）催化剂的析氢催化（HER）活性之间的内在关联。

Figure 1. (a) Schematic diagram showing the sample preparation of nanoporous gold (NPG) and the hydrogen evolution reaction (HER) measurements of macroscopically strained NPG films. (b-c) SEM images of as-prepared NPG film with microscopic homogeneity and nanoscale porosity.

Figure 2. (a) Illustration of NPG film with different bending strains during HER measurements. HER performances of NPG at different bending strains: (b) bending compressive strains; (c) bending tensile strains; (d) the bending strains dependence of HER overpotentials at the current density of 5 mA/cm2; and (e) Schematic illustration of d-band center changes with bending. The compressive strains shift the d-band center downward, resulting in weaker binding to reaction intermediates while the tensile strains lead to the opposite results of upward shift of the d-band center and strengthened binding with reactants.

本研究通过化学去合金法制备了具有均匀纳米多孔结构的NPG薄膜，利用宏观弯曲变形实现宏观应变的施加，保证了应变的精准控制。研究结果表明，宏观压缩应变降低了NPG的HER活性，而宏观拉伸应变提高了NPG的HER催化活性，符合d带中心模型。HER的起始电位与施加的压缩/拉伸应变在0.704%应变范围内呈近似线性关系，表明从压缩到拉伸，每0.1%晶格应变的变化会使催化剂与中间产物的结合能降低约2.9 meV。本研究开发的具有高应变敏感性的电催化方法，为高精度研究应变依赖性电催化开辟了新途径，为纳米多孔催化剂的未来高效利用提供了新思路。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00781

文章DOI号：10.1021/acs.nanolett.4c00781