纳米尺度的拉伸或压缩显著提高了二氧化铈的性能，这种材料广泛应用于催化转化器和清洁能源技术。

根据斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的科学家领导的一项新研究，少量的挤压或拉伸可以大大提高催化性能。

彩色透射电子显微镜下的二氧化铈超薄膜显示，单个原子(点)在强压力下移位。(图片来源:Sang Chul Lee)

这一发现发表在5月18日的《科学》杂志上自然通讯这是一种海绵状材料，通常用于催化转化器、自清洁烤箱和各种绿色能源应用，如燃料电池和太阳能水分离器。

“铈像海绵一样，根据需要储存和释放氧气，”该研究的合著者威尔·丘埃(Will Chueh)说，他是斯坦福大学材料科学与工程助理教授，也是SLAC的教员科学家。“我们发现，将氧化铈拉伸和压缩几个百分点，可以显著提高其储氧能力。这一发现颠覆了人们对氧化物材料的传统认识，可能会产生更好的催化剂。”

催化转换器
长期以来，铈一直被用于催化转化器，以帮助去除汽车排气系统中的空气污染物。

该研究的主要作者、斯坦福大学前博士后研究员Chirranjeevi Balaji Gopal说:“在你的车里，二氧化铈从有毒的氮氧化物中捕获氧气，产生无害的氮气。”官方manbetx手机版“然后二氧化铈释放储存的氧气，并利用它将致命的一氧化碳转化为良性的二氧化碳。”

研究表明，挤压和拉伸二氧化铈会导致纳米级的变化，从而影响其储存氧气的能力。

“二氧化铈的储氧能力对其作为催化剂的有效性至关重要，”研究报告的合著者亚历山德拉·沃伊沃迪奇(Aleksandra Vojvodic)说，他是SLAC的前科学家，现在在宾夕法尼亚大学工作，他领导了这项工作的计算方面。“基于先前研究的理论预期是，拉伸氧化铈会增加其储存氧气的能力，而压缩会降低其储存能力。”

为了验证这一预测，研究小组在不同材料制成的衬底上生长了超薄官方manbetx手机版的二氧化铈薄膜，每层只有几纳米厚。这个过程使二氧化铈承受的压力相当于地球大气的一万倍。这种巨大的压力使二氧化铈分子分离并挤在一起，距离不到一纳米。

意外的结果
通常，像铈这样的材料通过在薄膜中形成缺陷来减轻应力。但原子尺度的分析揭示了一个惊喜。

斯坦福大学材料科学与工程教授罗伯特·辛克莱(Robert Sinclair)说:“使用高分辨率透射电子显微镜来解析单个原子的位置，我们发现薄膜保持拉伸或压缩，而不会形成这样的缺陷，从而使应力保持在最大程度上。”

为了测量实际操作条件下应力的影响，研究人员使用劳伦斯伯克利国家实验室先进光源产生的x射线光束分析了铈样品。官方manbetx手机版

结果更令人惊讶。

Gopal说:“我们发现，拉伸后的薄膜显示出铈的储氧能力增加了四倍。”“无论你是拉伸还是压缩它都没关系。你会得到非常相似的增长。”

Chueh补充说，研究小组使用的高应力技术很容易通过纳米工程实现。官方manbetx手机版

他说:“这一发现对于纳米工程氧化物材料如何提高能量转换和储存的催化效率具有重要意义。”“这对开发固体氧化物燃料电池和其他绿色能源技术非常重要，包括从二氧化碳或水中制造清洁燃料的新方法。”

该研究的其他斯坦福大学共同作者是现就职于都柏林三一学院(爱尔兰)的Max Garcia-Melchor，以及研究生Sang Chul Lee, Zixuan Guan, Yezhou Shi和Matteo Monti。其他共同作者是隆德大学(瑞典)的Andrey Shavorskiy和劳伦斯伯克利国家实验室的Hendrik Bluhm。

这项工作得到了美国能源部、国家科学基金会和斯坦福Precourt能源研究所的支持。

马克Shwartz

原来在news.stanford.edu

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