Design Principles in Engineering of Multigrain Nanocatalysts via Multiscale Electronic Structure Characterization

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作者
Min Gee Cho,Colin Ophus,Jung-Hoon Lee,Inchul Park,Dong Young Chung,Jeong Hyun Kim,Dokyoon Kim,Yung‐Eun Sung,Kisuk Kang,Mary Scott,A. Paul Alivisatos,Taeghwan Hyeon,Myoung Hwan Oh
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:37 (19): 7741-7752 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.5c01154
摘要

Engineering grain boundary (GB) strain provides a promising pathway to tune the catalytic properties of nanocrystals. However, structural heterogeneity from random grain orientation and geometry has limited clear structure–property correlations. Here, we utilize a multigrain Co3O4/Mn3O4 core/shell nanocrystal platform as a model system to systematically investigate how geometric misfit strain at GBs serves as catalytically active sites for the oxygen reduction reaction. Through precise subnanometer-level control over grain morphology and by integrating multiscale electronic structure characterization, we identify the electronic structural signature of GB defects and establish a direct correlation between localized strain fields and modified electronic states. Strain modulation at GBs alters the eg orbital energy levels, with elongation along the z-axis combined with shear strain stabilizing the eg states, in contrast to the destabilization observed under pure shear strain. This stabilization mechanism enhances the electrocatalytic activity and selectivity of strained GBs compared with strain-relaxed grain surfaces. Furthermore, we reveal that GBs exhibit a radial strain gradient, producing a spatial energy shift that further modulates local electronic structures, as resolved through the classification of electron energy loss spectroscopy data. Together, these findings demonstrate that geometric misfit strain enables precise tuning of grain geometry and the resulting electronic structures, offering a robust strategy for engineering next-generation nanocatalysts.
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