碳催化剂活化的内在机械效应。

该文档主要探讨了**机械效应对碳基金属自由催化剂（C-MFCs）**的影响，尤其是在氧还原反应（ORR）中的表现。尽管C-MFCs作为贵金属催化剂的替代品引起了广泛关注，但其机械效应的研究相对较少。本文通过建立一个平台，首次实现了在高定向热解石墨（HOPG）层上施加应变并同时收集电化学信号，从而揭示了石墨碳表面应变与其ORR活化效应之间的相关性。

研究背景与动机

应变工程作为一种有效的工具，已被用于调节金属材料在氧还原反应（ORR）、氢析出反应（HER）等反应中的催化活性。然而，与金属不同，碳基催化剂的机械效应研究较少。这是因为机械效应通常与其他结构变量（如掺杂剂、缺陷和界面）交织在一起。此外，准确且持续地对C-MFCs施加应变也是一大挑战。

实验设计与方法

研究中选用了高定向热解石墨（HOPG）作为模型催化剂，因其具有良好的π共轭、无缺陷/掺杂的结构、平坦的表面和有序的堆积状态。实验通过一个水平拉伸/压缩机和电化学工作站，建立了一个平台来持续施加应变并同时收集电化学信号。为了准确检测施加在HOPG表面的应变，研究采用了数字图像相关（DIC）方法，结合Ncorr软件，测量表面应变。

关键发现

1. 应变与ORR性能的相关性：研究发现，在-1.0%到2.0%的应变范围内，施加的应变与ORR性能之间的相关性可以忽略不计。然而，在没有其他元素掺杂的缺陷HOPG表面上，施加约0.6%的拉伸应变时，电流密度可重复提高约35.0%。

2. 理论计算与分析：通过**密度泛函理论（DFT）**计算，研究进一步探讨了拉伸应变与ORR性能之间的关系。结果表明，反应中间体的吸附位点和电荷重新分布与应变有关，Stone-Wales缺陷被识别为与机械效应强相关的位点。

3. 粉末催化剂的验证：研究还制备了具有不同表面应变的石墨烯包覆球形粉末材料，并测试了其ORR活性。结果显示，约0.4%的表面应变可使ORR活性显著提高超过100%。

结论与贡献

本文首次揭示了石墨碳表面应变与其ORR活化效应之间的相关性，明确了应变对石墨碳催化活性的一些基本原理。这项研究为开发基于碳的机械电催化提供了基础，可能开启开发功能性碳材料（包括碳催化剂）的全新途径。

专业术语解释

• 高定向热解石墨（HOPG）：一种具有高度有序结构的石墨材料，常用于研究石墨烯的基本性质。
• 数字图像相关（DIC）方法：一种非接触光学测量方法，用于测量物体表面的变形位移。
• 密度泛函理论（DFT）：一种量子力学计算方法，用于研究电子结构。

通过本文的研究，作者为理解碳基催化剂在机械应变下的行为提供了新的视角，并为未来的研究奠定了基础。