云南大学郭洪AM：高熵合金间隙氧掺杂助力多功能电催化- 大数跨境

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云南大学郭洪AM：高熵合金间隙氧掺杂助力多功能电催化

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2024-10-25

导读：云南大学郭洪AM：高熵合金间隙氧掺杂助力多功能电催化

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文章信息

高熵合金间隙氧掺杂助力多功能电催化

第一作者：邹肖肖

通讯作者：云南大学郭洪，河南师范大学职松松

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研究背景

在材料的制备过程中，氧无处不在，人们往往采用超高真空或保护气氛条件下避免材料的无效氧化来提高材料的性能。但是苛刻的制备条件往往很难达到完美的效果。并且像氧这种原子半径比较小的原子，很容易以间隙掺杂的方式进入晶格中，形成间隙固溶体。此外，由于制备好的材料在接触空气后容易表面吸附含氧官能团等，容易造成仪器检测分析的含氧误差，所以体系中少量的O掺杂很容易被忽视。并且有研究者发现当掺入HEAs原子分数为2.0%的O元素后，HEAs的拉伸强度提高和塑性都明显的提高，这个发现使得人们对氧的间隙掺杂有了新的认识。

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文章简介

基于此，云南大学郭洪教授团队，在《Advanced Materials》上发表研究型论文“Interstitial Oxygen Acts as Electronic Buffer Stabilizing High-Entropy Alloys for Trifunctional Electrocatalysis.”（论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412954）。该研究以强亲氧元素来设计高熵合金（HEAs），对比减少亲氧元素的材料，证明了亲氧元素引入的同时在HEAs中引入间隙掺杂的O。因为O原子具有很强的得电子能力，它的引入可以作为电子缓冲剂，能够使得HEAs体系的电荷发生再分布，强化其周围各元素之间的连接，起到间隙固溶强化的效果。

图1高熵合金中间隙氧掺杂的作用机理图。

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本文要点

要点一：高熵合金的结构表征

根据测试表征结果，说明了高熵合金纳米颗粒成功的合成，并根据测试结果发现了氧的存在现象以及与Cr元素的强烈伴随关系。

图2. a） HEA-O的AC-STEM图像和相应的GPA图像，b）Cr、Mn、Fe、Ni和Pt的EDS图，c）CC、JCC和HEA-O XRD图，d）HRTEM图像（插入相关部分的FFT图），e）EDS图，f）拉曼显微镜下的HEA-O图像（右图显示了标记为1-4点的拉曼光谱和g）HEA-O模型结构图。

要点二：间隙氧存在的证明

为了更深入的理解高熵合金纳米颗粒中Cr元素和氧的关系，进行了同步辐射和理论计算的研究，从同步辐射实验和理论计算两方面的结果可知氧大概率存在于Cr元素的周围。

图3. a）Cr的EELS光谱和b）Cr K边的XAS谱，和c）FT-EXAFS光谱d–f）Cr、HEA-O和Cr₂O₃的小波变换。g） HEA-O模型的Cr-O、Mn-O和Fe-O的COHP分析h）HEA-O的结构由原子电荷着色。

要点三：证明间隙氧的存在改变了各元素的电子结构

通过实验和理论计算进一步说明了间隙氧引入可以作为电子缓冲剂，能够使得HEAs体系的电荷发生再分布，强化其周围各元素之间的连接，起到间隙固溶强化的效果。

图4 XPS分析a）CC、JCC和HEA-O的O1s，b）HEA-O中的Cr 2p。c）Mn 2p，d）Fe 2p，e）Ni 2p，和f）Pt 4f的HEA-O和MnFeNiPt。g、 h）HEA和HEA-O模型中不同位置元素附近O原子的LDOS。i）HEA与HEA-O的d带中心，以及带有键长值的模型图插图

要点四：理论计算和实验证明材料的稳定性。

从理论计算中可以看出间隙氧掺杂具有减少元素溶出迁移从而提高稳定性的能力。并从实验上进一步说明了该材料的稳定性。

图5 a）HEA和HEA-O的ELF，b）HEA与HEA-O不同位置的空位形成能c）水分解的极化曲线，以及（d）HEA-O和（-）Pt/C||RuO₂（+）的水分解稳定性测试。e）水系锌空气电池和f）固态锌空气电池HEA-O和Pt/C+RuO₂的充放电循环曲线

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文章链接

X. Zou, X. Zhao, B. Pang, H. Ma, K. Zeng, S. Zhi, H. Guo, Interstitial Oxygen Acts as Electronic Buffer Stabilizing High-Entropy Alloys for Trifunctional Electrocatalysis. Adv. Mater. 2024, 2412954.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412954

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通讯作者简介

郭洪教授简介：云南大学教授，博士生导师，博士后合作导师，享受云南省政府津贴的专家学者，云南大学东陆学者，中国硅酸盐学会固态离子学分会理事（CSSI），国际能源与电化学科学研究院(IAOEES理事，国际电化学会（ISE）会员。主持973计划课题、国家自然科学基金、云南省重大科技专项、云南省及教育部重点项目等20余项省部级及以上课题。主要从事电化学储能及环境催化研究。以第一作者及通讯作者在PNAS. Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Angew Chem. Int. Edit., Mater. Today, Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.等学术期刊发表论文150余篇，引用超过7000次。申请及授权30余项中国发明专利。