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南京大學Nature子刊：各向異性熱膨脹調(diào)節(jié)連續(xù)應變，有效提升OER活性

可再生電力驅(qū)動的電化學水分解技術(shù)為可持續(xù)利用水資源生產(chǎn)清潔氫燃料提供了一種理想的策略。然而，水電解過程中的析氧反應(OER)過電位過高成為大規(guī)模制氫的瓶頸。因此，迫切需要開發(fā)高效、穩(wěn)定的OER催化劑來克服這一挑戰(zhàn)。對于OER，d帶中心與吸附態(tài)和金屬d態(tài)之間的相互作用能密切相關(guān)，從而決定了OER的動力學。應變工程在通過晶體中的壓應變或拉應變來優(yōu)化過渡金屬基催化劑的d帶中心方面特別有效。為了促進應變工程在OER中的應用，迫切需要找到一種簡單的方法在材料中產(chǎn)生可變應變。、

熱能可以很容易地利用和調(diào)節(jié)產(chǎn)生各種熱物理效應。特別是，起源于橋原子橫向振動引起微結(jié)構(gòu)變形的各向異性熱膨脹，可能產(chǎn)生應變。因此，可以利用熱膨脹效應作為一種方便的途徑來產(chǎn)生不同的應變在OER催化劑。

基于此，南京大學閆世成課題組通過加熱Sr₂IrO₄各向異性熱膨脹材料以產(chǎn)生熱應變，以驗證這一想法在調(diào)節(jié)材料的電子狀態(tài)的有效性。實驗結(jié)果顯示，在熱刺激下，Sr₂IrO₄催化劑中的IrO₆八面體會產(chǎn)生壓縮應變，從而使d帶中心下移。因此，OER中間體與Ir活性物種之間的結(jié)合強度被優(yōu)化以降低催化反應能壘，從而按照非線性Arrhenius關(guān)系加速OER動力學。

電化學性能測試結(jié)果顯示，從20 °C加熱到90 °C，Sr₂IrO₄達到10 mA cm^?2電流密度所需的電位從1.55 V降低到1.40 V。考慮到OER熱力學勢的溫度依賴性，過電位從312 mV降低到235 mV，Tafel斜率從90.32 mV dec^?1下降到45.14 mV dec^?1，大大加速了OER動力學。

總的來說，該項研究結(jié)果表明，熱刺激產(chǎn)生壓應變是調(diào)控具有各向異性熱膨脹的Sr₂IrO₄電子態(tài)的有效途徑，超越了傳統(tǒng)的熱擴散效應，顯著提高了OER性能。

Continuous strain tuning of oxygen evolution catalysts with anisotropic thermal expansion. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46216-9

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