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文 章 信 息
加速发现氧还原电催化剂:高通量筛选铂基高熵合金的元素组合
第一作者:潘逸煬
通讯作者:周敏*
单位:中国科学院长春应用化学研究所,中国科学技术大学
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研 究 背 景
高熵合金(HEA)电催化剂因其突出性能在能源材料领域引起了广泛关注。这些HEAs的关键特性是“鸡尾酒”效应,突显了元素组合和成分空间对其性能的显著影响。然而,五元HEAs的元素组合就高达105种,成分空间更是近乎无限,采用传统方法来探索和发现高性能HEAs变得极为困难。
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文 章 简 介
近日,中国科学院长春应用化学研究所、中国科学技术大学的周敏研究员课题组,在国际知名期刊Angewandte Chemie-International Edition上发表题为“Accelerating the Discovery of Oxygen Reduction Electrocatalysts: High-Throughput Screening of Element Combinations in Pt-Based High-Entropy Alloys”的通讯文章。该文章提出了一种高熵合金(HEA)的高通量开发方法,通过微米级前驱体阵列打印与脉冲高温合成技术结合,实现多元素组合HEA阵列高通量制备。并通过扫描电化学液池显微镜(SECCM)技术,实现HEA阵列的氧还原反应(ORR)本征活性高通量精准评估。评估结果为实际高效催化剂材料的合成提供了高效指导。进一步通过密度泛函理论(DFT)计算,解析高活性元素组合中的元素协同效应与活性位点差异的影响,揭示优势元素组合的共性特征。该高通量方法结合了高通量实验、实际催化剂验证以及DFT计算,为能源催化领域的高效多元素材料加速发现提供了新途径。
图1 Pt基高熵合金的高通量开发流程
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本 文 要 点
要点一:流程式的高通量实验方法
该研究提出了一种程序化的高通量实验范式,能够同时研究元素组合(通过LLM的prompt工程)和成分空间通量(70种元素组合/246种成分)。基于SECCM高通量测量和已建立的电催化本征活性量化理论,该方法能够在一个工作日内筛选不少于100种组合。
要点二:优势高熵合金元素组合的筛选与验证
基于这种高通量实验,研究团队从文献库中的15000篇文献中提供的70种五元HEAs中,选出了三种具有潜在高活性的优异组合(FeNiCuCoPt、FeNiCoSnPt和FeNiCuSnPt)。筛选结果指导了最佳催化剂(FeNiCuCoPt)的合成,其半波电位E1/2为0.89 V vs RHE(商用Pt/C的E1/2为0.85 V vs RHE),其质量活性是商用Pt/C催化剂的13倍。
要点三:DFT计算揭示元素协同效应对ORR活性促进的影响
研究发现,筛选出的元素组合表现出对Fe-Ni-Pt体系的共同偏好,并具有较高的ORR活性。密度泛函理论(DFT)计算揭示了Cu/Co元素的协同效应对于以Fe为活性中心的ORR催化剂反应活性的促进作用。同时,高通量实验实现了在高通量背景下由实验结果指导的精确DFT计算。
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文 章 链 接
“Accelerating the Discovery of Oxygen Reduction Electrocatalysts: High-Throughput Screening of Element Combinations in Pt-Based High-Entropy Alloys”
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202407116
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通 讯 作 者 简 介
周敏研究员简介: 周敏,国家人才计划青年项目入选者,中国科学院长春应用化学研究所-电分析化学国家重点实验室-超分辨电化学课题组组长。主持国家人才计划青年项目、国家自然科学基金项目、中科院科研仪器设备研制项目等重大专项以及产业化项目。2020年4月回国至今在中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室工作,并担任厦门大学固体与表面化学国家重点实验室主办的电化学杂志和中国化学学会主办的中国化学快报等杂志的青年编委职务。长期致力于超分辨电化学基础研究与先进仪器装备研制,特别是超分辨电化学显微镜系统的研制及应用、智能化高通量材料实验室的研发及应用、基于机器视觉的电化学自动化测量技术开发及应用、多维(力学-谱学-电化学)微观化学分析平台构建及应用等。
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课 题 组 介 绍
课题组汇聚了35位精英成员,涵盖了化学、材料、电子工程、软件开发、机械工程、控制理论、机器视觉及机器学习等领域,形成了一个多学科交叉融合的研究团队,构建了从“5A级基础研究”到“先进装备与技术”再到“前沿领域探索”的完整研发闭环。课题组在基础研究方面取得了系列突出成果,在Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., Anal. Chem.等领域权威期刊上发表论文20余篇。研究成果被Chem. Rev., Anal. Chem., Faraday Discuss.等原图引用和重点评述,同时也被J. Am. Chem. Soc.遴选为电化学领域的重大进展给予报道。在应用研究方面周敏研究员带领团队创建了中科应化(长春)科技有限公司先进仪器装备事业部以及MinTech自主品牌,已申请/授权专利20余件。团队自主研发了超分辨电化学显微镜系统(六大主力型号)以及智能化高通量材料实验室(攻坚专项任务),并在过去的一年市场推广中,已实现自研仪器设备销售近2000万。
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课 题 组 招 聘
招聘岗位:特别研究助理(博士后)
招聘人数:3名
学 历:博士(毕业3年内)
专业要求:从事与化学、材料、能源等领域相关的电化学研究。
岗位描述及要求:
主要开展高度引领的电化学基础研究以及自研原位表征装备的验证。要求熟悉并掌握常用表征方法和表征设备;
招聘岗位:嵌入式软件开发工程师
招聘人数:2名
学 历:本科及以上,硕士优先。
工作经验要求:2年以上
专业要求:电子,电气,计算机,自动化类专业方向。
岗位描述及要求:
主要进行嵌入式软硬件开发工作。要求熟悉stm32等主流单片机的软硬件开发;能够使用c语言进行程序开发,独立完成电路设计,pcb绘制及焊接调试等。
招聘岗位:自动化设计工程师
招聘人数:1名
学 历:本科及以上
工作经验要求:3年及以上
专业要求:自动化、电子等相关专业
岗位描述及要求:
主要进行自动化控制系统的设计与开发,包括机器人、自动化装置和流程控制系统等。要求熟练掌握自动化控制理论和方法,熟悉PLC、DCS、SCADA编程和HMI界面设计,能够独立完成设备调试和机电维护工作。
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