【材料】ACS Materials Lett. | 十二组分自支撑纳米孔高熵合金多功能的电催化作用- 大数跨境

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【材料】ACS Materials Lett. | 十二组分自支撑纳米孔高熵合金多功能的电催化作用

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2022-01-18

导读：哈尔滨工业大学 (深圳) 邱华军和上海交通大学Kolan Madhav Reddy合作报道了一种通用的去合金化工艺，制备出含有12种或16元素组成的自支撑纳米多孔高熵合金

英文原题：Twelve-Component Free-Standing Nanoporous High-Entropy Alloys for Multifunctional Electrocatalysis

通讯作者：邱华军，哈尔滨工业大学(深圳)；Kolan Madhav Reddy，上海交通大学

作者：Tingting Yu (余婷婷), Yanyi Zhang (张严翼), Yixuan Hu (胡逸轩), Kailong Hu (胡凯龙), Xi Lin (林熹), Guoqiang Xie (谢国强), Xingjun Liu (刘兴军) , Yoshikazu Ito （伊藤）and Hua-Jun Qiu (邱华军)

背景介绍

众所周知，许多催化反应都依赖于贵金属基催化剂，但资源有限，价格较高。例如，铂是析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)中最活跃的元素之一。RuO2和IrO2仍然是氧析出反应(OER)最好的电催化剂。因此，对于开发多组分的纳米级高熵合金氧化物是很重要的，以减少贵金属组分的使用，同时通过与适当数量的不同非稀有元素进行合金化来保持甚至增强整体催化活性。

文章亮点

近日，哈尔滨工业大学 (深圳) 邱华军和上海交通大学Kolan Madhav Reddy合作报道了一种通用的去合金化工艺，制备出含有12种或16元素组成的自支撑纳米多孔高熵合金，将其为无粘结剂电极/催化剂时，含有12种元素的纳米多孔高熵合金在碱性溶液中的HER、OER和ORR中表现出较高的催化活性和耐久性。除此之外，还组装了金属空气电池用于实际电池装置的测试，在电池中表现出了很高的电化学循环稳定性，以及较大的开路电压、功率密度以及能量密度，与类似文献相对比，性能非常突出。

图1.自支撑纳米多孔高熵合金的制备示意图

该课题组采用一种简单的去合金化的方法，合成了一系列高熵合金催化剂，制备示意图如图1所示，具体来说，将金属镍、钴、铜和锰等多种元素熔融成为一种金属单一固溶相，得到一种富锰前体合金，然后用酸性溶液处理去除绝大部分的锰，产生了多孔纳米级的高熵合金/高熵氧化物。扫描透射电子显微镜 (STEM)清楚地显示了超细纳米级固体韧带，这些纳米韧带包含所有12种不同的金属元素，并相互连接，形成均匀的纳米孔结构，其孔径为∼2−3.5nm，延伸到整个样品 (图2)。

图2. np−12的微观结构表征

在电化学测试中，这种十二元高熵合金表现出了出色的电催化性能，在碱溶液中的HER和OER测试，都有不错的性能表现。因此，这种材料对整体的电催化分解水具有很高的活性，如图3所示。

图3.HER和OER电催化性能测试

为了实现Zn−空气电池中的双功能催化，研究了材料的ORR性能 (图4)。在掺杂了较低低的贵金属含量后，这种十二元高熵合金比Pt/C具有更好的ORR活性，半波电位正移约50 mV。

图4. ORR电催化性能测试

由于出色的OER和ORR性能，组装的Zn-空气电池在功率密度、充放电电位差和循环稳定性方面表现出优异的性能 (图5)。

图5. 金属空气电池性能测试

本工作通过设计的锰基多组分单相前驱体合金一步脱合金制备了12或16种元素的自支撑纳米孔高熵合金。原子尺度透射电镜表征表明，纳米孔结构均匀，元素分布均匀。由于所有这些混合金属元素的强相互作用，十二元高熵合金对HER、OER和ORR均表现出较高的活性和耐久性。本研究为设计低贵金属含量的多组分和多功能非负载催化剂提供了一条新的途径。

相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，哈尔滨工业大学研究生余婷婷，张严翼，和上海交通大学的胡逸轩为文章第一作者，邱华军和Reddy副教授为通讯作者。

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