NiTi表面纳米膜弹性变形及其对电催化反应特性的调控研究
结题报告
批准号:
51701159
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
杜敏疏
依托单位:
学科分类:
E0108.金属能源与环境材料
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
周永存、孟遥、黄秀、林为彤、朗国茂
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中文摘要
近年来,利用材料的弹性应变调控其物理和化学性质受到广泛关注,以往人们采用元素掺杂或合金化、原位变形及利用膜与基体的晶格错配等方法为纳米膜施加弹性应变,但所施加的弹性应变较小(不足1%)且不连续可调,导致弹性应变对材料功能特性的调控效果难以充分展现。本项目拟基于“基体点阵切变应变与纳米膜本征大弹性应变相匹配”的设计原则,选择NiTi形状记忆合金作为基体,对其表面Pt纳米膜和Cu纳米膜的弹性变形特征与机制进行研究,有望为纳米膜施加较大且连续可调的弹性应变,解决“弹性应变工程”的当务之急;进而,利用拉、压弹性应变对Pt纳米膜的电催化氧还原反应活性、Cu纳米膜的电催化CO2还原反应活性和产物选择性进行调控,并阐明电催化反应中“弹性应变效应”的独立影响规律及其机制,为高活性、高选择性电催化材料的研发提供理论依据。
英文摘要
Controlling the physical and chemical properties of materials by the means of elastic strain received extensive attention in the recent years. There are three methods of inducing elastic strain to the nanofilms in the previously reported work: elements doping or alloying, in-situ deformation, and overlayer based on lattice-mismatch between the substrate and film. However, strain-engineered effects could not be fully achieved due to the relatively small (less than 1%) and discrete elastic strain that imposed to the nanofilms. In this project, we will choose NiTi shape memory alloy as the substrate based on the design criterion that match the intrinsically large elastic strain of nanofilm with the lattice shear strain of the substrate, and study the elastic deformation behavior and mechanism of Pt nanofilm and Cu nanofilm on the NiTi substrate, which is expected to impose relatively large and continuous elastic strain to nanofilms and thus solve the urgent problem of the development of Elastic Strain Engineering; Furthermore, control the electrocatalytic activities of oxygen reduction reaction of Pt nanofilm and CO2 reduction reaction of Cu nanofilm by tensile strain or compressive strain, and adjust the products selectivity of CO2 reduction reaction of Cu nanofilm by elastic strain. In addition, the sole Elastic Strain Effects and its mechanism of the electrocatalytic reaction will be clarified, which may provide theoretical foundation for the development of highly active and highly selective electrocatalytic matetials.
材料的弹性应变是调控其物理和化学性质的重要手段之一,然后传统施加应变的方法所获得的弹性应变量较小,且“应变效应”与基体的“配体效应”往往同时存在、难以区分。本项目基于“基体点阵切变应变与纳米膜本征大弹性应变相匹配”的设计准则,选择NiTi形状记忆合金作为基体,对其表面Cu纳米膜、IrO2纳米膜的弹性变形特征进行了研究,成功为纳米膜施加了较大的拉伸、压缩弹性应变。并且排除了配体效应的干扰,对Cu纳米膜电催化CO2还原反应活性与产物选择性、IrO2纳米膜的电催化析氧反应活性的“弹性应变效应”进行了独立研究。研究成果有望为高弹、高强纳米膜的制备及高活性、高选择性电催化材料设计提供理论依据。所获得的主要结论包括:. 1、通过调控电解液成分、沉积电位和沉积时间等参数可对电沉积薄膜的厚度、表面形貌、膜-基体界面结合强度进行优化,利用NiTi基体在双程形状记忆效应中输出的切变应变可为纳米膜施加-1.02%的压缩弹性应变与0.58%的拉伸弹性应变。. 2、弹性应变可有效调控Cu纳米膜的电催化CO2还原反应特性,其中拉应变提升了反应活性,使反应的法拉第效率由65.02%提升至76.48%,拉应变也使以CH4为代表的C1产物的分电流密度提升了37%;而压应变则会降低反应活性与C1产物的产率。. 3、推导出了电催化反应吉布斯自由能的变化量ΔG与反应能垒Q间的正相关关系,并利用第一性原理计算,阐明了弹性应变对Cu电子结构、CO*和CHO*等中间产物吸附强度、反应速控步骤能垒的影响规律,进而揭示了弹性应变对Cu电催化CO2还原反应特性的调控机制。. 4、基于“单颗粒碰撞电化学”提出了表征IrO2单颗粒析氧反应活性的新方法,其所获得的反应转换频率TOF为155 O2∙s-1,比以往报道的IrO2颗粒负载膜的TOF值高1-2个数量级。. 5、弹性应变可有效调控IrO2纳米膜的析氧反应活性,其中拉应变可使反应的电子转移速率k0提升40%,在已报道的IrO2薄膜中具有最高反应活性;压应变则具有相反效果。
期刊论文列表
专著列表
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专利列表
DOI:10.3390/ma12040602
发表时间:2019-02
期刊:Materials
影响因子:3.4
作者:Xin Zhao;Minshu Du;Feng Liu
通讯作者:Xin Zhao;Minshu Du;Feng Liu
DOI:10.1039/d0nr05780k
发表时间:2020-11
期刊:Nanoscale
影响因子:6.7
作者:Minshu Du;Yao Meng;Geju Zhu;Mingze Gao;Hsien‐Yi Hsu;Feng Liu
通讯作者:Minshu Du;Yao Meng;Geju Zhu;Mingze Gao;Hsien‐Yi Hsu;Feng Liu
Elastic strain controlling the activity and selectivity of CO2 electroreduction on Cu overlayers
弹性应变控制铜覆盖层上 CO2 电还原的活性和选择性
DOI:10.1039/d0ta08880c
发表时间:2021-02-28
期刊:JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A
影响因子:11.9
作者:Du, Minshu;Zhao, Xin;Liu, Feng
通讯作者:Liu, Feng
Influence of chloride ion adsorption on the kinetics and mechanism of Ru(NH3)(6)(3 /2 ) electrode reactions
氯离子吸附对Ru(NH3)(6)(3 /2 )电极反应动力学和机理的影响
DOI:10.1016/j.electacta.2019.134863
发表时间:2019
期刊:Electrochimica Acta
影响因子:6.6
作者:Meng Yao;Du Minshu;Cao Fahe
通讯作者:Cao Fahe
DOI:--
发表时间:--
期刊:Journal of Materials Chemistry A
影响因子:11.9
作者:Chun Hong Mak;Xu Han;Minshu Du;Ji-Jung Kai;Kim-Fung Tsang;Guohua Jia;Kuan-Chen Cheng;Hsin-Hui Shen;Hsien-Yi Hsu
通讯作者:Hsien-Yi Hsu
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