北大夏定国课题组JACS：具有高活性晶面的有序高熵金属间化合物纳米颗粒用于实际氢燃料电池

张熙熙 1年前 (2023-07-08) 3295浏览

一、【导读】

开发高效的催化剂对可再生能源转化和实现碳中和都将具有重要意义。为了满足实际应用中催化性能的需要，精确控制催化剂的组成、结构和形貌引起了人们极大的关注。多组分高熵合金(HEAs)、原子有序金属间化合物和具有高活性面的特定纳米晶体等热门材料作为先进的催化剂，尽管表现出良好的应用前景，但目前的研究仍遭受各种局限和挑战。

HEAs催化剂目前绝大多数都是无序固溶体合金，具有更加突出特性的结构有序的高熵金属间化合物(HEI)纳米催化剂却很少被报道。这是因为高熵金属间化合物的合成需要高温来克服无序向有序转变的能垒，不可避免地导致块体结构或相分离。因此，迫切需要更深入的研究工作来加速有序高熵金属间化合物在能源相关领域的研究和应用。

构建高活性面是提高催化剂活性的关键。目前，制备高活性晶面的主要方法是通过调节金属催化剂的形貌来获得高指数晶面。然而，由于具有高表面能和热力学不稳定性，具有高指数晶面的催化剂在电化学反应中并不稳定，因此往往在实际燃料电池中很少使用。相比之下，低指数晶面具有更好的热力学稳定性，但催化活性往往不如高指数晶面。特别是，金属催化剂中的(100)面通常被认为是低活性面。因此，将低指数晶面转变为高活性晶面将具有重要意义。

二、【成果掠影】

北京大学夏定国教授首次报道了具有超高活性晶面的结构有序PtIrFeCoCu HEI (PIFCC-HEI) 纳米颗粒(NPs)。PIFCC-HEI NPs在碳载体上分布均匀，平均粒径为6 nm。经高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和X射线衍射(XRD)图谱证实了PIFCC-HEI NPs结构有序的金属间化合物结构。在0.1 M HClO₄溶液的氧还原反应(ORR)中，PIFCC-HEI/C在0.85 V时显示出7.14 A mg_{noble metals}^-1的超高质量活性，并且在60 000次电势循环中具有卓越的稳定性。。此外，以PIFCC-HEI/C为阴极组装的质子交换膜燃料电池(PEMFCs)在H₂/ O₂模式下的峰值功率密度为1.73 W cm^-2，工作80 h后几乎没有工作电压衰减，优于商用Pt/C催化剂和大多数已报道的催化剂，表现出顶级的性能。理论计算与实验结果相结合表明PIFCC-HEI/C在ORR和PEMFC中的优越性能主要归功于超高活性面的构建。特别是(001)晶面为ORR限速步骤提供了最低的活化能垒，最佳的d带中心的下移，以及更有效的电子结构调控。此工作不仅为催化剂中高活性面的构建开辟了一条新的途径，而且还为结构有序的高熵金属间化合物在实际燃料电池和其它潜在能源相关中的可行应用提供了强有力的支撑。

相关研究工作以“Engineering Structurally Ordered High-Entropy Intermetallic Nanoparticles with High-Activity Facets for Oxygen Reduction in Practical Fuel Cells”为题发表在国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society上，夏定国教授为通讯作者，冯广博士为第一作者。

三、【核心创新点】