应变工程在优化贵金属基电催化剂方面发挥着关键作用,而这类催化剂对于推动可持续能源技术的发展至关重要。

在本综述中,作者重点介绍了超越传统方法的最新突破,聚焦于两项关键创新:1)在核壳结构中实现核体积调控(CVM),通过核心的收缩或膨胀实现精确、动态且可逆的应变控制;2)构建稳定的应变结构,通过强界面相互作用打造极具耐久性的催化体系。
CVM实现了应变的可调性,而强界面相互作用则有效缓解了应变松弛问题,确保催化剂在严苛条件下的长期稳定性。
这些先进策略在关键反应中表现出卓越性能,包括氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER)、甲醇氧化反应(MOR)和二氧化碳还原反应(CO2RR),在质量活性和稳定性方面相较于基准催化剂均有显著提升。
本文深入探讨了这两种互补策略如何协同作用:CVM提供可调性,强界面相互作用赋予内在稳定性,从而实现前所未有的控制能力和耐久性。
最后,还概述了当前面临的挑战以及下一代高性能、长寿命电催化剂的未来发展方向。

图1:核心体积调控、应变的精确调控、稳定应变结构及其电催化应用的示意图。

图2:在拉伸或压缩应变存在下,价带d带中心位移的起源。

图3:a) 电催化氧还原反应活性与晶格应变之间的实验和预测关系。b) 比活性与Co/Pt组成及Pt–Pt键长之间的关系。c) 相邻两个Pt原子之间的距离与应变Pt晶胞的晶格常数之间的关系。d) ΔGH* 值与晶格应变的关系。

图4:a) 晶格应变与析氧反应过程之间构效关系的机理研究。b) CO2还原反应活性(表示为电流密度)作为金属表面CO吸附能(EM-CO)的函数。c) 对于每个'CHO'、'COOH'和'CH2O'吸附中间体,相对于E16px;line-height: 1.75em;"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"},"node",{"tagName":"span","attributes":{"mpa-font-style":"mgrbjyh1juf","style":"font-size: 15px;font-family: mp-quote, -apple-system-font, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif;"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"},"node",{"tagName":"span","attributes":{"style":"color: rgb(15, 17, 21);font-style: normal;font-variant-ligatures: normal;font-variant-caps: normal;font-weight: 400;letter-spacing: normal;orphans: 2;text-indent: 0px;text-transform: none;widows: 2;word-spacing: 0px;-webkit-text-stroke-width: 0px;background-color: rgb(255, 255, 255);text-decoration-thickness: initial;text-decoration-style: initial;text-decoration-color: initial;float: none;display: inline !important;","data-pm-slice":"0 0 []"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"},"node",{"tagName":"span","attributes":{"data-mpa-action-id":"mgrblldr1bdc","data-pm-slice":"0 0 []"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"},"node",{"tagName":"span","attributes":{"data-mpa-action-id":"mgrblu2hpty","data-pm-slice":"0 0 []"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"},"node",{"tagName":"sub","attributes":{"style":"color: rgb(0, 0, 0);","leaf":","mpa-font-style":"mgrblu2045c"},"namespaceURI":"http://www.w3.org/1999/xhtml"}]">M-CO的线性标度关系几乎平行。d) CO产物的法拉第效率对还原电位的依赖性。e) CO产物的电流密度对还原电位的依赖性。

图5:a-c) Ni-MoO2-700的SEM图像。d) 原子级颗粒模拟描绘的纳米结构。e) HAADF-STEM图像。f) 成分线扫描分布图。g–l) 使用标准程序制备的Au–Pt纳米晶体的TEM和HAADF-STEM-EDX mapping图像,除了Au与Pt盐前驱体的摩尔比不同:g) 1: 1, h) 1: 0.9, i) 1: 0.8, j) 1: 0.7, k) 1: 0.6, 和 l) 1: 0.5。
综上,作者系统综述了应变工程在贵金属纳米电催化剂中的最新进展,重点介绍了两种创新策略:核体积调控(CVM)实现精确、动态、可逆的应变控制,以及通过构建强界面相互作用来稳定应变结构,从而显著提升催化剂在氧还原、析氢、甲醇氧化和二氧化碳还原等关键电催化反应中的活性与稳定性。
CVM突破了传统晶格失配方法在应变调控精度和动态性上的局限,将核从被动模板转变为主动应变执行器,实现了对贵金属壳层应变的连续双向调节;而强界面相互作用则有效抑制了应变松弛,显著提升了催化剂在长期电化学循环中的结构完整性和性能保持率。
实验与理论相结合深入揭示了应变通过调节d带中心进而优化反应中间体吸附能的机制,为应变设计与催化性能之间建立了清晰的结构–性能关系。
尽管当前在应变动态行为表征、界面电荷转移调控、应变与配体及形貌效应解耦、以及大规模可控制备等方面仍面临挑战,但应变工程已从概念验证走向实际应用的前沿。







