日前，Green Carbon首届编委会暨2023国际绿碳科学大会在青岛召开。Green Carbon编委、北京大学博雅特聘教授郭少军应邀出席并做题为“应变材料在氢循环催化中的应用”的邀请报告。
2023国际绿碳科学大会邀请报告：
应变材料在氢循环催化中的应用
研究背景
食物、能源、水是人类生存发展最关键的三种资源。但是，目前人类社会对于不可再生化石能源的过度依赖，带来了诸多问题，如过量二氧化碳排放、气候变化、极端天气频发等。因此，发展新型能源技术对实现“碳达峰，碳中和”战略目标具有重要意义。在此背景下，发展氢能被认为是必要选择之一。如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中实现“大规模”“低能耗”“高稳定性”三者的统一和如何实现燃料电池系统快速高效的氧还原动力学过程是绿氢循环产业面临的重大工程技术难题。
质子交换膜燃料电池是高效利用氢能的一种方式，它可以将氢能有效的转化为电能或动能；且质子交换膜燃料电池汽车相较于其他电池驱动的汽车具有燃料加注快速、更高的里程、更高的能量密度、较好的安全性及电池寿命更长等优势。膜电极是其技术核心之一，而高活性和稳定性的催化剂、高性能碳纸以及超薄、高耐久性的质子交换膜是膜电极的关键因素。其中涉及到的关键技术问题包括H2O、H2和O2之间的高效的转换，需要发展高效的HER、OER、ORR催化剂。
高效催化剂是燃料电池系统的核心和关键。鉴于电催化剂的催化活性与其微观物理化学性质有着密切关系，通过调节或控制纳米材料的应变是提高能源电催化剂催化性能的有效方法，在过去十几年中该领域已经取得了重要进展。
郭少军教授在报告中向大家展示了其课题组在应变调控催化领域的最新研究进展。
应变调控机制研究进展及展望
电催化剂的几何结构、电子结构及周围物理化学环境对催化性能具有重要影响。根据Sabatier原则，催化剂活性中心位点的催化电子结构（d带中心）与催化剂的活性密切相关，通过调控d带中心的位置可以有效地调控催化剂与反应物、中间体等之间的吸脱附性质，进而调控催化剂的性能。
郭少军教授课题组开展的基于对催化剂中应变调控即可以实现对催化剂中关键成分d带中心的调控，使d带中心的位置得以优化，进而调控催化剂表面与吸附的原子或分子之间的成键情况，最终实现对催化剂的本征活性的合理调控。同时，郭少军教授介绍了催化剂材料应变调控的表征方法，如XRD、同步辐射等。
应变调控过渡金属的理论分析
基于应变调控机制，郭少军教授课题组在压缩应变、拉伸应变及双轴应变等应变催化剂开发及性能调控领域开展了系列引领性工作，如“双轴应变PtPb/Pt核/壳纳米盘增强氧还原催化性能”，且在电催化氧还原表现出非常高的比活性和质量活性（10.1126/science.aah6133）。其团队设计和合成的PdMo双金属烯结构，高度卷曲的形状带来应变效应，使催化剂表现出优异的氧还原活性，在组建的锌-空气电池及锂-空气电池构建中也表现出优异的性能（Nature，2019，574，81-85）。以上研究结果为构筑下一代低成本高效氧还原电催化剂奠定了材料基础，也将有助于推动基于氧气还原反应的金属-空气电池、质子交换膜燃料电池等的发展。
PdMo双金属烯催化剂
电解水是制备绿氢的重要途径，郭少军教授还介绍了基于应变调控纳米催化剂在电解水析氢、析氧催化剂中研究进展。例如，拉伸应变调控CoS/MoS2核壳纳米晶用于催化析氢反应、精确调控CuPd/Ir核壳纳米晶用于催化全解水析氢析氧反应，均表现出了优异的性能。
郭少军教授对应变调控催化剂性能及其应用做了展望：
1）通过应变准确调控催化剂活性中心d带中心位置，以获得高效的能源催化剂，并应用于燃料电池、全解水制氢、Li-O2/CO2电池、生物燃料电池、氢能等领域，并可以用于有机催化、工业催化、光催化等领域；
2）基于量子效应的微应变调控策略，通过引入空位、位错、晶界等诱导产生微观应变效应，对催化剂的电荷分布、自旋态分布、d带中心等性质调控，实现高效的催化过程。应变调控催化剂的发展将会通过推动制氢及氢能利用过程的发展，有助于降低人类社会对化石能源的依赖，缓解能源危机、温室效应等，同时有助于实现“碳中和”目标。
