崔屹最新Science：LiCoO2充放电调节催化剂晶格应变增强ORR活性

【引言】

随着能源紧缺问题日益凸显，大量的科研人员在新能源领域进行了广泛而深入的研究。对于可再生能量转换过程的高效电催化剂研究则变得越来越重要。通过调控晶格应变（如压缩或拉伸）改变表面原子的间距，可以有效地调节表面电子结构，从而调控催化活性是一种作用显著的方法。然而，目前在这方面的几种尝试，都因引入其他物质（核壳结构或基底）而未能取得满意的效果，这就需要一种无须引入新物质就能进行有效探索的新方法。

【成果简介】

北京时间2016年11月25日，斯坦福大学崔屹教授团队利用锂离子电池电极材料作为催化剂载体，通过广泛可调的晶格常数来调节催化剂应变从而调整其对氧还原反应（ORR）的催化活性。锂离子在充放电插入或者脱离电极的过程中，会导致电极材料的体积和晶格间距发生变化，导致3%的体积效应，可以实现精确控制，并且微小的应变便能有效调控Pt的活性，具有良好的普适性，但目前还处于基础研究阶段。若想真正实用，还需要继续开发大规模制备催化剂和调控应力的方法。

【图文导读】

图1 LCO基板的晶格常数变化以及晶格应变如何诱导成Pt NPs的示意图。

（A）通过电化学提取卤化物，LCO的Co-O层间距由4.69埃增加到4.82埃的示意图。

（B）通过锂离子插入Co-O层引起Pt NPs压缩，进行不同取向非外延生长ALD的示意图。

（C）XRD显示诱导到基材上Pt NPs的拉伸和压缩应变示意图。

图2 原始和具有（111）晶格压缩和拉伸应变时Pt NPs的高分辨率TEM图像。

（A和B）分别为L_0.5CO-Pt和L_0.5CO-Pt_C的（111）面间距区域的TEAM图像。

（C）原始和压缩的Pt沿（111）间隔方向（垂直于平面）的积分像素强度图。

（D）分别为原始和压缩的Pt（111）晶格条纹的底层用于晶格约束图像。

（E和F）分别为LCO-Pt和LCO-Pt_T的TEAM图像。

（G）（111）间距增加2.42埃，大于5％的拉伸应变图。

（H）拉伸应变的直接证据，LCO-Pt_T的顶部原子层比LCO-Pt的顶部原子层高。

图3原始的和存在应变时Pt NPs的ORR活性（0.1 M KOH，O₂饱和条件）的电化学表征

（A）分别为L_0.5CO-Pt，L_0.5CO-Pt_C，LCO-Pt和LCO-Pt_T的ORR极化曲线。

（B）原始和应变Pt NPs的循环次数-电流密度曲线。

（C）在0.84 V下相对于RHE的ORR活性比较柱状图。

（D）在10,000 次CV循环之前和之后压缩性L_0.5C0-Pt_C相对于RHE的ORR极化曲线。

图4  单轴应变对Pt ORR活性的影响的理论预测

（A）O *，OH *和OOH *中间体的结合能以及过电压η的变化对单轴应变的函数曲线。

（B）在0.76 V下的ORR的自由能曲线，其中单轴应变引起稳定性的变化如图所示。

（C）限制电位对△G_OH的曲线，其中U _L随着压缩应变的增加而改善。

（D）实验半波电位的变化与由应变引起的理论超电位的变化之间的比较曲线。

【展望】

这种通过电极材料来控制纳米催化剂应力，并实现催化活性控制的策略具有良好的普适性，且不会受到其他因素的干扰。此外对于基础研究，实际应用中还可以通过包括大规模合成和应变调整的方法（例如Pt的溶液涂覆，水溶液电化学调谐或Li离子的化学萃取/插层）来扩展。 对其他类型的电池电极材料（例如层状MoS₂，TiO₂，Bi₂ Se₃和黑磷）也将具有良好的研究借鉴意义。

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

本文由材料人编辑部新能源学术组 xiaohuanzi 供稿，材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。

参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。

材料测试，数据分析，上测试谷！