PNSMI热点|FeCoMnCuAl高熵合金的超快焦耳加热合成 纳米颗粒作为高效OER电催化剂

由于化石燃料的消耗不断增加，环境污染日益严重，对可持续和绿色能源的需求日益迫切。在潜在的解决方案中，水的电催化分解作为一种具有前景和成本效益的清洁能源转换技术在过去的几十年里受到了极大的关注。析氧反应（OER）是该过程中不可缺少的半反应，是通过水裂解产生氢能所必需的。然而，OER涉及一个复杂的四电子传递机制，导致动力学缓慢和大过电位，以达到所需的电流密度。目前，商用OER电催化剂主要依赖于贵金属，如Ru和Ir。尽管这些电催化剂具有高活性，但它们的高成本、稀缺性和在操作条件下的不稳定性严重阻碍了它们的广泛应用。因此，迫切需要开发高效、耐用、低成本、具有良好OER性能的非贵金属电催化剂。

高熵合金（High entropy alloy， HEA）是一种由五种或五种以上元素以几乎相等的原子比组成的合金，每种元素的含量在5%至35% （at.%）之间。HEAs独特的多元素结构允许轨道重叠，形成大量的成键轨道，特别是有高能电子占据的反键轨道。从而优化活性位点的吸附能力，从而提高其电催化活性。

高熵合金（HEAs）以其在多元素间的协同轨道相互作用而著称，被认为是一种很有前途的电催化剂，可用于改善缓慢的析氧反应（OER）动力学。尽管HEA纳米粒子具有很大的潜力，但快速制备具有高电催化活性的HEA纳米粒子（NPs）仍然是一个挑战。

在本文中，我们聚焦于使用焦耳加热策略在导电碳纤维网络上加载的无贵金属FeCoMnCuAl HEA NPs的超快合成。制备的HEA NPs为面心立方（FCC）结构，平均尺寸约为25 nm。利用同步加速器x射线吸收精细结构（XAFS）和x射线光电子能谱（XPS）研究了HEA NPs的原子和电子结构，揭示了Fe，Co，Mn，Cu和Al元素的共存在以及它们在表面和内部区域的不同价态。HEA NPs表现出优异的OER性能，在1.0 M KOH溶液中，在10 mA cm−2下的过电位为280 mV， Tafel斜率为76.13 mV dec−1，电化学稳定性优于商用RuO2电催化剂。本研究为大规模合成纳米级无贵金属HEA电催化剂，实现清洁能源转化应用提供了一条新的途径。

图1. (a)典型高温超导合成的温度分布。插图从左到右是FeCoMnCuAl HEA电催化剂的示意图，制备照片和样品阶段的加热周期。(b)原始碳布和AH-cc的拉曼光谱。(c)不同合成温度下制备的FeCoMnCuAl HEA电微催化剂的XRD谱图。(d) FeCoMnCuAl HEA电催化剂的PDF图。(e) FeCoMnCuAl HEA NPs的TEM和(f) HRTEM图像。(g) Fe、Co、Mn、Cu和Al对FeCoMnCuAl HEA NPs的元素映射。

图2. (a) FeCoMnCuAl电催化剂的XPS调查谱。（b-f）精细扫描的XPS光谱显示铁2p， Co 2p, Mn 2p， Cu 2p和Al 2p的核心水平。

图3. FeCoMnCu和FeCoMnCuAl电催化剂的XANES光谱(a) Fe K-edge, (b) Co K-edge, (c) Cu K-edge和(d) Mn K-edge。

在本研究中，我们通过HTS技术在几种处理过的碳基质（cc, a -cc， H-cc和AH-cc）上制备了FeCoMnCuAl HEA NPs。这些NPs被评价为OER反应的成本效益和效率。通过SEM、TEM、XRD、ICP、PDF、XPS、XAFS等综合表征，揭示了FeCoMnCuAl电催化剂的结构、组成和电子性能。FeCoMnCuAl电催化剂在电流密度为10 mA cm2时的过电位低至280 mV，在1 MKOH中的Tafel斜率为76.13 mV dec1，并且在12h内不发生衰减，其性能明显优于贵金属RuO2。本研究为大规模合成纳米级无贵金属HEA电催化剂提供了一条新途径为了实际的商业化。

https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.08.005

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