山西煤化所童希立、锡根大学杨年俊AEM综述：电催化剂中的应变工程：基础，进展，以及展望

【研究背景】

能源危机以及环境污染是人类面临的两个难题。通过电化学方法开发可持续清洁能源以及对能源进行高效利用可以缓解能源危机以及环境污染。这些电化学过程的效率依赖于催化剂的性能。因此，相应的电催化剂设计就显得尤为重要。近年来，基于应变效应，配体效应，电子效应，以及载体效应的催化剂设计方法已经成为当前的研究热门。其中，通过应变工程调控催化剂电子结构从而优化催化性能已经被证明是一种有效的催化剂设计思路。

【文章简介】

近日，山西煤炭化学研究所童希立团队以及德国锡根大学杨年俊团队在国际知名能源材料期刊Advanced energy Materials上合作发表题为“Strain Engineering in Electrocatalysts: Fundamentals, Progress, and Perspectives” 的综述论文。该综述内容设计到以下几点：(1) 描述了应变效应产生的原因以及表现形式。(2) 解释了应变效应影响材料催化性能的本质原因。(3)总结了应变效应在电催化剂设计领域的最新进展，并且基于每个电化学反应的原理，提出了基于应力调控的催化剂设计建议。(4)展望了下一步基于应变效应的电催化设计发展方向。

图1. 本文TOC

【文章要点】

内容一 应变产生原因以及表现形式

应变产生的原因很多，通常催化剂中的应变可以总结为以下五个方面：

(1) 核壳结构中由晶格不匹配导致的应变；

(2) 负载型纳米颗粒或团簇中由界面相互作用导致的应变；

(3) 合金催化剂中的应变；

(4) 由形貌差异导致的应变；

(5) 缺陷催化剂中的应变。

图2. 应变催化剂分类

内容二 应变效应影响催化的本质原因

在目前的催化研究中，将催化剂的电子结构归结为其最主要的性能影响因素。而应变效应恰恰非常擅长对材料的电子结构进行精准调控。对于后过渡金属而言，当对其施加拉伸应力，材料的配位程度降低，从而展现出更窄的d轨道带宽以及更高的费米能级。这样材料就具有更强的吸附能力。相反的，压缩应力可以减弱后过度金属的吸附能力。

图3. 应变影响催化性能的原因

内容三 应变效应在电催化反应中的应用

在认识了应变效应影响催化性能的原理之后，将其与相关电催化反应相互结合。通过分析大量的应变催化剂的结构特点，以及相关反应自身的原理，总结出应变催化剂调控特定催化反应的机制，进一步的对特定反应的催化剂设计提出指导意见。主要包括了电解水反应，氧还原反应，醇氧化反应，电催化二氧化碳以及氮气还原反应。

内容四 应变效应下一步发展方向

在文章的最后，对应变催化剂的发展现状进行了总结。然后对下一步的发展方向进行了展望。主要包括了发展更方便经济的应变催化剂制备方法，合成更稳定的应变催化剂，对应变影响催化性能的原因进行进一步探索，将富应变材料推广至更多领域。

Xiaobo Yang, Yingyong Wang, Xili Tong, Nianjun Yang, Strain Engineering in Electrocatalysts: Fundamentals, Progress, and Perspectives. Adv. Energy Mater. 2021, 2102261. https://doi.org/10.1002/aenm.202102261

通讯作者简介：

童希立，中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员。主要致力于纳米电催化材料功能化设计及应用研究。近年来在Energy Environ .Sci.， Adv. Energy Mater.，ACS Catalysis, Appl. Catalysis B, J. Mater. Chem. A, Small等杂志上发表论文近100篇。

杨年俊，博士，德国锡根大学高级研究员。主要致力于各种碳材料的化学气相合成及其在电化学等领域的基础与应用研究。近些年在Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.， Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.、Appl. Catalysis B、Small等志上发表论文170多篇；出版系列丛书1部、专著4部、撰写书章节9次。多次在国际大会做邀请报告、担任杂志Small、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces、Carbon等多种杂志的客座主编、任Dia. Relat. Mater等杂志的编委；是欧洲材料年会（E-MRS）分会主席、Hasselt金刚石研讨会及金刚石及碳材料国际会议的委员会成员；组织主持召开国际会议10多次。