哈工大姜思达AFM研究：高熵合金纤维介观芯-壳结构，实现2A/cm2工业级大电流密度OER

第一作者：崔艺凡

通讯作者：姜思达*

单位：哈尔滨工业大学，香港理工大学

高熵合金由于其较低的成本以及结合多种元素优势的鸡尾酒效应，在电解水催化领域展现了较好的应用前景。但是，在工业级大电流密度下，催化剂的催化活性较低、稳定性差，严重的阻碍了高熵合金在工业上的实际应用。本研究展示了高熵合金催化剂的结构设计思路，针对工业上需求的大电流密度工况，设计了特殊介观芯-壳结构的高熵合金纤维，表层的非晶-纳米晶结构提供了大量的活性位点，芯部的合金晶体，大大提升了合金纤维的导电能力，使其在大电流密度下展现了较好的催化活性及稳定性。本文为未来的合金催化剂在工业电解水催化的实际应用提供了新的设计思路及应用基础。

近日，来自哈尔滨工业大学的姜思达副教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Cost-Effective High Entropy Core–Shell Fiber for Stable Oxygen Evolution Reaction at 2 A cm⁻²”的研究文章。该观点文章提出了一种高熵合金纤维的结构设计方案，特殊的纤维微尺度介观芯-壳结构，使其在工业级大电流密度下展现出优异的电解水析氧催化性能。

针对高熵合金在工业电解水催化需要在大电流密度下工作的需求，对高熵合金纤维进行了结构设计。在较大的电流密度下，催化剂的导电性成为了影响其催化性能的主要因素，基于此特点，设计了特殊的芯-壳结构高熵合金纤维。壳层为非晶-纳米晶复合结构，通过DFT计算证明了非晶-纳米晶界面加快了电子传输速度，非晶-纳米晶界面的Ni位点的d带中心位置经计算为1.71 eV，相比于Ni处于非晶态(1.76 eV)和纳米晶态(1.84 eV)更小，表示OER过程中更强的吸附能力，同时非晶结构提供了较多的活性位点，理论计算证明了壳层的非晶-纳米晶结构在OER催化过程的优势；芯部的晶体结构，进一步的提高了导电性。

使用三步合成流程，获得大量“核-壳”结构高熵合金纤维。Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀纤维实现了设计的壳层c-a异质结构和芯部HEA晶体。细致的结构分析表明，在OER中是活性中心的铁、钴、镍和钼的纳米晶氧化物被壳中的高熵非晶隔离，网格状的高熵非晶与芯部的合金晶体相连，构成了“导电网络”；而芯部中的HEA晶体不仅提高了导电性，而且提高了自支撑能力。这种特殊的介观“核壳”结构具有更好的导电性和更多的活性中心，有利于OER反应。

Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀电极在1 M KOH电解质中在工业级电流密度下显示出最佳的OER催化活性，η = 370和470 mV(在1和2 A cm^-2下)，并且Tafel斜率为39.8 mV dec^-1。在现有的一系列关于OER电催化剂的研究中，如高熵合金、金属氧化物和氢氧化物，Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀在高电流密度下的催化活性较好。同时，工业级电流密度(0.5、1和2 A·cm^-2)下的耐久性测试和结构表征表明Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀电极具有优异的稳定性。整体水分解的高性能进一步证明了工业应用的前景。

Cost-Effective High Entropy Core–Shell Fiber for Stable Oxygen Evolution Reaction at 2 A cm⁻²

姜思达副教授简介：姜思达副教授，工学博士，现就职于哈尔滨工业大学空间环境与物质科学研究院（空间环境地面模拟装置），教育部空间环境与物质作用前沿科学中心PI，主要从事微尺度亚稳态合金材料功能性研究、空间环境作用下材料微观机理及空间环境新材料研发等。近五年以第一/通讯作者身份在包括Adv. Funct. Mater.，Mater Design，等高水平期刊发表研究论文超过30篇。