第一作者：刘茜（硕士研究生）

【研究亮点】

1.利用单晶薄膜模型评价催化剂的本征电催化性能

2.巧妙的利用不同晶格不匹配原理引入不同状态应力，利用HRXRD及XPS证明了氧空位的存在。

3.第一原理计算从电子结构层面揭示了应力和氧缺陷对电催化活性的耦合影响

【研究背景】

氧析出反应（OER）的缓慢动力学严重限制了许多电化学能量转换和存储系统（如，金属空气电池和水电解）开发和推广。为了提升催化剂的催化性能，研究人员进行了大量的探索工作。除了已经广泛研究了通过调节氧化物催化剂中的晶格应变来改变氧化还原过程。调控氧缺陷提供了另一种可用于提高催化剂活性的方法。虽然已经广泛研究了晶格应变或氧缺陷对氧化物催化剂的OER性能的影响，但是两种因素的综合影响还有待理解。事实上，晶格应变和氧缺陷化学强烈地相互耦合，要合理设计高性能电催化剂，必须了解应变和氧缺陷之间的相互关系及其对催化活性的影响

【研究简介】

1.催化活性评价模型的构建：通过脉冲激光沉积的方法在单晶衬底（LaAlO₃（LAO）和SrTiO₃（STO）上生长的La_0.7Sr_0.3CoO_3-δ（LSC）薄膜用作模型系统。利用晶格的不匹配性，获得不同应力状态的LSC。制得的模型体系由于其低的粗糙度（RMS）, 催化活性面积就是其几何面积。

2. 应力状态的表征（HRXRD）：X射线衍射倒易空间映射图的分析充分地揭示了LAO衬底上LSC（LSC/LAO）的压缩应力状态，STO衬底上LSC（LSC/STO）的拉伸应力状态。通过控制LSC薄膜的生长厚度可以调控应力的大小，即，LSC薄膜增厚后，应力会有不同程度的释放。

3. 不同应力和氧空位下催化性能比较：电化学测试表明LSC薄膜的OER活性在压缩应力下更高（LSC / LAO）比在拉伸下（LSC / STO），并且其活性随着引入氧空位而降低。

氧空位的定性定量分析：衍射峰峰位的移动吻合了由于氧空位的形成导致的晶格膨胀，并且根据峰位可以推演出其氧空位值，和RSM数据互相印证。Co的二价卫星峰很好的说明了LSC/STO上更多的氧空位，形成的氧空位会在OER循环过程中由于晶格氧参与反应得到填充，从而致使四种状态的LSC在OER反应后Co二价卫星峰消失。

4. 理论计算：实验和计算结果均表明在拉伸下LSC / STO具有更大的氧空位，由于其氧空位形成能较小，因此压缩下的LSC / LAO氧空位更少。应力应变引起的LSC氧空位变化，从而影响e_g填充状态，并且增加氧空位也扩大了O 2p和Co 3d之间的能隙。

【研究意义】

晶格应力和缺陷化学工程可以作为获得高性能催化剂的有效方法，我们的研究结果证明了应力- 缺陷耦合效应在开发高性能催化剂中的关键作用。这种机理解释也可以应用于其他金属氧化物，并且可以有助于指导用于高性能能量转化装置的新催化剂的合理设计。

【文献信息】

https://doi.org/10.1002/advs.201801898