高伟教授、殷红教授， CEJ观点：NiFeCo基氮掺杂碳包覆高熵合金纳米颗粒在碱性溶液中的析氢性能研究

第一作者：高千粟

通讯作者：高伟*，殷红*

单位：吉林大学

电化学水分解是一种环保的制氢技术。廉价的三维过渡金属(3d TMs)如Ni、Fe和Co虽已被广泛用作碱性电解质的催化剂，但纯3d TMs的催化性能并不理想，往往需要制备成合金或复合材料。与传统合金相比，高熵合金(HEAs)表现出优异的催化活性，因此，3d TMs基催化剂可以通过形成HEAs以利用HEAs的独特效应来提高析氢催化活性和稳定性。将金属纳米颗粒封装在石墨烯壳中可以防止其被氧化和腐蚀，并避免纳米颗粒的团聚。此外，金属核和石墨烯壳之间的协同效应也能够增强催化活性。在析氢反应中，根据密度泛函理论，氮掺杂不仅为H*提供了吸附位点，还降低了氢吸附吉布斯自由能(ΔGH*)。因此，具有核壳结构的3d TMs基氮掺杂碳包覆高熵合金纳米颗粒（HEAs@NC NPs）催化剂可以实现高效的催化活性。但采用简单的合成方法合成组分复杂的HEAs@NC NPs是巨大挑战。并且，由于实现石墨烯壳厚度可控的复杂性，目前大多数相关实验研究都集中在石墨烯壳厚度固定或不均匀的催化剂上，而对于不同的石墨烯壳厚度对催化性能的影响尚未得到广泛的研究。

近日，来自吉林大学的高伟教授与殷红教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“NiFeCo-based High Entropy Alloys Nanoparticles Coated with N-doped Graphene Layers as Hydrogen Evolution Catalyst in Alkaline Solution”的观点文章。该观点文章提出了一种制备碳壳层厚度可控的氮掺杂碳包覆高熵合金纳米颗粒的简单快捷方法，用该方法制备了一系列NiFeCo基合金材料，并在碱性条件下用作析氢反应催化剂。通过实验结果和理论计算探讨了氮掺杂碳壳层以及高熵合金的特性对析氢性能的影响。

本文采用了直流电弧等离子体法一步合成出了HEA@NC NPs，并通过调节反应条件实现了碳壳层厚度的可控合成。制备出了具有2-3层石墨烯层以及6-7层石墨烯层的HEA@NC NPs。

本文通过对一系列HEA@NC NPs催化剂进行析氢性能测试，研究了从三元合金到六元高熵合金析氢性能的演变。从实验结果可以看出，随着合金元素的增加，合金的析氢性能逐渐提升，且六元高熵合金CuNiFeCoCrTi@NC NPs析氢性能最佳，并具有优异的长循环稳定性。同时，对三元合金以及六元高熵合金的理论计算结果表明，六元高熵合金相较于三元合金ΔGH*更趋于理想值(0 eV)。

本文对一系列具有两种壳层厚度的HEA@NC NPs催化剂进行了析氢性能测试，并通过对NiFeCo@NC以及CuNiFeCoCrTi@NC进行理论计算分析了氮掺杂石墨烯壳层对合金析氢性能的影响。计算结果表明，氮掺杂石墨烯壳与合金核所组成的核壳结构有效地调节了ΔGH*。

“NiFeCo-based High Entropy Alloys Nanoparticles Coated with N-doped Graphene Layers as Hydrogen Evolution Catalyst in Alkaline Solution”