赵慎龙教授团队Matter：高熵合金中的压缩应变用于高性能酸性析氧反应

第一作者：赵婷婷，石磊，张贵凯

通讯作者：赵慎龙*，郭俊*，董俊才*

单位：国家纳米科学中心，天津工业大学，中国科学院高能物理研究所

质子交换膜电解水（PEMWE）由于其高效率、高可靠性及快速响应等优点，被认为是一种有前景的绿氢制备技术。通常，Ru基和Ir基材料（如RuO₂、IrO₂和Ir/C）被认为是阳极析氧反应（OER）最有效的电催化剂，但目前受到活性与稳定性的平衡制约问题。尽管Ru基催化剂具有较高的OER活性，但面临稳定性挑战；Ir基材料在酸性条件下更稳定，但其本征活性较低且成本较高，限制了其实际应用与商业化进程。因此，开发高效稳定的酸性OER电催化剂是实现PEMWE规模化应用的关键。高熵合金（HEAs）由五种以上金属组成，因其高熵效应、晶格畸变和滞后扩散等特征，成为构建高效持久电催化剂有前途的候选材料。压缩或拉伸应变工程策略被认为是提升HEA活性与稳定性有效的方法。尤其是在HEA中引入原子半径较大的金属元素会引起局部压缩应变，既可以有效调节局部电子结构，同时又能增强原子间相互作用，在提高催化活性及稳定性方面显示出巨大潜力。因此，本文利用简单的两步热还原工艺合成了RuIrFeCoNiMo高熵合金（RuIr-HEA），通过在Ru-HEA合金中引入Ir元素形成Ru-Ir键及局部压缩应变效应，从而克服酸性OER中的活性-稳定性平衡问题，显现出优异的质子交换膜电解水阳极析氧反应活性及稳定性。

基于此，国家纳米科学中心赵慎龙教授与天津工业大学郭俊教授、中国科学院高能物理研究所董俊才教授在国际知名期刊Matter上发表题为“Compressive strain in high-entropy alloy for high-performance acidic oxygen evolution”的研究性文章。该文章通过在高熵合金中引入压缩应变效应实现了酸性析氧反应活性与稳定性的平衡制约问题。

图1. HEA催化剂的合成和结构特征。

本文通过微观结构分析表明将较大原子半径的Ir元素掺入到Ru基高熵合金中，形成了新的Ru-Ir键并引发了金属原子间的局部压缩应变，增强了原子间相互作用，对提升催化剂活性与稳定性有显著作用。

图2. HEA催化剂的化学状态和原子配位环境。

要点二：显著的酸性OER性能

制备的RuIr-HEA在0.5 M H₂SO₄溶液中表现出优异的OER催化性能。在10 mA cm^-2电流密度下过电位仅为168 mV，显著优于Ru-HEA（179 mV）、Ir-HEA（266 mV）及商业RuO₂（284 mV）和IrO₂（317 mV）。同时，Ir元素的引入能够显著降低金属Ru的溶解率，进而提升其在酸性OER过程中的耐久性。

图3. 酸性OER活性。

要点三：优异的PEMWE性能

制备的RuIr-HEA作为阳极催化剂在PEMWE电解槽中可实现11.35 kJ mol⁻¹的低水分解活化能，在2.0 A cm⁻²的电解电流密度下电压低至1.86 V，并在500和1000 mA cm⁻²电流密度下保持500小时以上的优异稳定性。

图4. PEMWE性能。

要点四：实验与理论结合揭示机制

原位光谱和DFT分析表明，在Ru-HEA中加入较大原子半径的Ir元素会形成牢固的Ru-Ir键并产生压缩应变，进而推动了OER反应路径从传统的吸附演化机制转变为直接氧耦合路径机制，有效促进了氧中间体的直接耦合。此外，压缩应变还增强了原子间的相互作用，提高了催化稳定性。这一发现为在实际PEMWE应用中克服催化剂活性与稳定性平衡问题提供了有效的参考方法。

图5. HEA催化剂的OER机理分析。

Compressive strain in high-entropy alloy for high-performance acidic oxygen evolution

赵慎龙，国家纳米科学中心教授，博士生导师。研究主要集中于有机/无机多孔纳米材料在能源催化领域的基础与应用研究。至今，已在国际知名学术期刊上发表论文110余篇，H-指数60，被引16,400余次，ESI前1%高被引论文40篇。其中以第一/通讯作者发表文章60余篇，包括Nat. Energy（2 篇）、Nat. Commun.（4 篇）、Sci. Adv.、PNAS、J. Am. Chem. Soc.（2 篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（4 篇）、Adv. Mater.（4 篇）、Joule、Chem（3 篇）和Matter（4篇）等。2021-2024年连续被评为“克睿维安”全球高被引学者。主持/参与国家优秀青年基金（海外）、国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发计划项目、澳大利亚研究理事会优秀青年基金和探索项目等。获得首届Advanced Materials“新星奖”、RSC优秀研究员奖，首届Chem Catalysis“新锐奖”、悉尼大学杰出青年研究员校长奖及Veoble Fellow等荣誉；应邀担任Chem、eScience、Green Carbon、Nano Research Energy及Carnon Neutralization等期刊青年编委。

赵慎龙课题组主要致力于新型有机/无机多孔碳基纳米材料的制备及在小分子催化、能源转换与储存中的基础及应用研究，旨在通过电催化、有机电合成、材料与化学及光谱学等多学科交叉研究，将创新理念/材料转化为实用技术，从而为全球能源和环境挑战提供解决方案。

赵慎龙课题组（国家纳米科学中心）现因研究工作需要，联合先进储能材料国家工程研究中心拟招收博士后或特别研究助理2-3名：

1、工作内容：从事镍氢电池与超级电容器关键电极材料的开发研究工作；

2、招聘要求：化学、材料与电池相关专业博士毕业生，获得博士学位不超过3年，年龄35周岁以下，具有锂电池、镍氢电池与超级电容器关键电极材料研究背景的优先考虑，发表过高水平SCI论文；

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