近日，国家纳米科学中心研究团队通过对高定向热解石墨（HOPG）的表面应变施加连续精确调控，成功揭示了二维纯碳催化剂的应变效应。相关研究成果以Intrinsic Mechanical Effects on the Activation of Carbon Catalysts为题，在线发表于Journal of the American Chemical Society （DOI: 10.1021/jacs.4c14372）。

碳作为金属或者氧化物催化剂的常用载体，其结构的多样性和复杂性导致其本身在催化中的作用经常被忽视。深化对碳固有催化性能的清晰理解，将为碳载体设计以及结构-性能关系分析等相关研究开辟全新路径。原子掺杂、缺陷工程和合金化是调控催化剂电子结构以提高催化活性的最常用方法。然而，它们在实现对电子结构调控的同时，还引入了额外的变量，如组成变化或配体效应，使得单独识别电子结构调控因素的影响变得困难。应变工程由于可以直接作用于不同活性位的配位环境，从而影响电子态，正在成为调节材料催化活性的有效工具。然而应变工程的设计绝大部分都应用在合金或以金属为活性位点的催化剂中，纯碳催化剂的应变效应鲜有研究。

基于此，研究团队以HOPG作为模型催化剂，报道了一项概念验证研究，通过对HOPG工作电极施加连续可控应变，实现了在电解液环境中的应变实时加载和电催化性能的同步测试，首次从实验上建立了石墨碳表面应变ε与其氧还原反应（ORR）活性的关系。研究结果表明，虽然施加拉伸应变不能大幅激活HOPG的面内和边缘碳位点，但当结构包含面内缺陷时，催化活性与拉伸应变之间存在明确且可复现的依赖关系，施加0.6%的拉伸应变可使HOPG的ORR活性提高约35%。密度泛函理论计算结果表明，在特定缺陷上施加适当的应变可以优化反应中间体的吸附强度，从而降低反应能垒并改变速率决定步骤，特别是石墨烯上的Stone-Wales缺陷主导了与应变效应相关的整体电催化活性调控行为。该研究阐明了纯碳催化剂的本征应变对电化学催化性能的影响，并发展了对纯碳催化剂催化机制的新理解。

国家纳米科学中心刘博文博士、联合培养博士生徐帅帅为该论文的共同第一作者，高扬副研究员、北京化工大学张利鹏教授、新南威尔士大学戴黎明院士、王斌研究员为该论文的共同通讯作者。上述研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的支持。

    原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c14372