​AEM：非贵金属高熵硫系玻璃基电催化剂实现高效稳定酸性析氧反应

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​AEM：非贵金属高熵硫系玻璃基电催化剂实现高效稳定酸性析氧反应
电解水作为一种新兴的可再生能源转换和储存技术，在解决日益严重的能源危机和环境问题方面备受关注。这是因为电解水技术被认为是一种合理的策略，可以在实现高效产氢。特别是，人们已经认识到，与阴极的析氢反应(HER)相比，析氧反应(OER)是一种更重要的和更具挑战性的半反应，由于其动力学缓慢，更复杂的多步反应以及多种反应中间体，严重限制了全解水的效率。
一般情况下，OER过程可以发生在酸性、中性和碱性介质中，其反应动力学能垒和途径显著依赖于电解质的pH值。在不同的OER条件中，酸性条件下的OER在实际工业应用中变得至关重要，因为酸性介质中的质子交换膜水电解槽(PEMWEs)相比于碱性水电解槽具有多种优势，包括优异的质子电导率、高电流密度和电化学稳定性等。因此，开发酸性条件下的高效OER电催化剂至关重要。
基于此，东国大学Jung Inn Sohn等人合成了由Co，Fe，Ni，Mo，W和Te组成的非贵金属高熵硫系玻璃(N-HECGs)催化剂，其在酸性介质中展现出了优异的OER性能。
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本文在室温条件下以及酸性介质(0.5 M H2SO4，pH≈0.30)中，测试了N-HECGs的酸性OER性能。为了更直观的比较，本文还制备了Co3O4作为代表性的非贵金属氧化物催化剂。正如预期的那样，CoFeNiMoWTe N-HECGs表现出了优异的OER活性，其过电位仅为373 mV(10 mA cm-2)，低于CoFeNiMoW HEA(395 mV)和Co3O4(437 mV)。
此外，研究发现，与制备的电催化剂相比，纯碳纸的催化性能可以忽略不计。除了过电位，在10 mA cm-2的电流密度附近，CoFeNiMoWTe、CoFeNiMoW和Co3O4的Tafel斜率分别为66.8、77.6和96.1 mV dec-1，这也表明CoFeNiMoWTe具有较快的反应电动力学。
此外，与CoFeNiMoW(5.48 Ω)和Co3O4(8.25 Ω)相比，CoFeNiMoWTe具有4.06 Ω的最低电荷转移电阻。以上研究结果均能证明CoFeNiMoWTe具有优异的OER性能。为了进一步展示CoFeNiMoWTe催化剂在酸性水电解槽中的实际应用潜力，本文将制备的电催化剂作为阳极，商业Pt/C作为阴极，进行了相应的测试。
令人兴奋的是，在70 ℃下，CoFeNiMoWTe基电解槽仅需1.81 V的电压即可达到1 A cm-2的电流密度，这表明与CoFeNiMoW基电解槽(1.87 V)相比，CoFeNiMoWTe基电解槽的酸性电解水活性有所提高。
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总之，本文的重点是将基本的高熵(HE)概念引入到硫族玻璃(HECGs)结构的催化剂中，以开发此前从未被证明的高熵硫族玻璃(HECGs)体系，而它们的催化性能也几乎没有被探索。为此，本文选择Co、Fe、Ni作为活性三维过渡金属元素，Mo、W作为钝化金属元素，Te作为非金属元素，设计开发了活性和稳定性平衡的非贵金属OER电催化剂。
其中，理论和实验预测这种协同的非贵金属多金属体系在酸性电解质中具有热力学稳定和活性，并且Te元素具有最丰富的电子态和广泛的配位数，有利于增强玻璃成型能力(GFA)，提高催化剂的催化活性。
值得注意的是，本文通过简单的制备方法就合成了由Co、Fe、Ni、Mo、W和Te组成的非贵金属HECGs(N-HECGs)电催化剂。本文的表征结果以及测试结果表明，与不含Te元素的球形CoFeNiMoW电催化剂相比，本文合成的非晶态CoFeNiMoW N-HECGs纳米片阵列具有更多的活性位点和较高的金属价态，而CoFeNiMoW电催化剂则具有非晶态和晶态混合结构。
本文的研究还发现，CoFeNiMoWTe催化剂优异的酸性OER性能可以解释为其高混合熵和高耐腐蚀能力的综合作用，以及其独特的几何化学结构与活性位点和价态的升高。综上所述，本文的发现为设计和开发高效耐用的非贵金属电催化剂提供了新的见解，并有望用于实际的PEMWE。
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Nonprecious High-Entropy Chalcogenide Glasses-Based Electrocatalysts for Efficient and Stable Acidic Oxygen Evolution Reaction in Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, Advanced Energy Materials, 2023, DOI: 10.1002/aenm.202301420.
https://doi.org/10.1002/aenm.202301420.

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