AM：高熵金属间化合物Pt4FeCoCuNi实现高效析氢和氧还原反应

全球对脱碳的需求加速了可再生能源的发展。然而，可再生太阳能和风能的间歇性限制了它们的大范围应用。最近，电解水作为一种吸引人的绿色技术，通过生成清洁能源载体H₂和副产物O₂，将可再生能源的间歇性电力转化为化学键，并将其储存起来。

氢气和氧气结合产生的水作为唯一的产物可以通过氢质子交换膜燃料电池(PEMFCs)产生电能，这是一种具有吸引力的零排放电源，可用于各种应用，如汽车。为了大规模地应用这种氢能系统，基于Pt的电催化剂的合理设计对于克服析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)的过电位至关重要。

基于此，南洋理工大学Wang Yong、Kedar Hippalgaonkar、刘政和黄一中，以及新加坡科技研究局Gong Na(共同通讯)等人制备了一系列有序度可调的多组分金属间化合物Pt₄FeCoCuNi纳米颗粒，该催化剂不负众望的展现出了优异的HER和ORR性能。

为了将晶体结构与催化剂的电催化活性联系起来，本文首先测试了无序、部分有序和高度有序的催化剂以及对比催化剂在1 M KOH中的HER性能。根据线性扫描曲线可以发现，与其他催化剂相比，已有的S-C催化剂的HER活性可以忽略不计。

高度有序的Pt₄FeCoCuN只需要20 mV的过电位就可以达到10 mA cm^-2的电流密度，这远远低于部分有序和无序的Pt₄FeCoCuNi(分别为32和47mV)以及商业Pt/C(38mV)。较低的过电位意味着较少的能源浪费，因此高度有序的Pt₄FeCoCuN可以有效的应用于催化反应。

之后，本文在0.1 M HClO₄中测试了电催化剂的ORR性能。与HER测试相同，对比催化剂S-C的ORR活性可忽略不计，高度有序的Pt₄FeCoCuNi的半波电位(E_1/2)为0.943 V，高于部分有序和无序的Pt₄FeCoCuNi的半波电位(分别为0.927和0.910 V)。

为了进一步比较催化剂的本征ORR活性，本文还计算了催化剂的质量活性。不出所料的是，高度有序的Pt₄FeCoCuNi在0.9 V_RHE下，具有3.78 A mg_Pt^-1的质量活性，优于部分有序和无序的催化剂(分别为1.84和0.86 A mg_Pt^-1)。

为了分析催化剂催化性能优异的原因，本文通过X射线光电子能谱(XPS)确定了Pt₄FeCoCuNi的d带中心，研究了晶体结构对催化剂电子结构的影响。根据d带中心理论，d带中心对中间体的吸附强度起着至关重要的作用。

具体来说，d带中心的下移会导致吸附减弱，反之亦然。研究后发现，与Pt₄FeCoCuNi相比，S-C对价带谱(VBS)的贡献可以忽略不计，这表明不同有序度的Pt₄FeCoCuNi的VBS差异是由于Pt₄FeCoCuNi本身而不是因为S-C。VBS结果表明，高有序度的催化剂的d带中心位置最接近费米能级，且从高度有序、部分有序到无序催化剂的d带中心有下降趋势。

因此，有序度的降低会导致d带中心的下移，从而减弱ORR和HER中间体的吸附能。总之，高度有序的晶体结构和高熵的协同作用使催化剂具有良好的催化稳定性和活性，本文工作建立的结构-性能关系也将为催化剂的合理设计提供指导。

Ordering-dependent hydrogen evolution and oxygen reduction electrocatalysis of high-entropy intermetallic Pt₄FeCoCuNi, Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202302067.

https://doi.org/10.1002/adma.202302067.

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/05/3cc34abc20/

AM：高熵金属间化合物Pt4FeCoCuNi实现高效析氢和氧还原反应

相关推荐