【背景介紹】

為實現(xiàn)碳中和和零碳排放的目標(biāo)，發(fā)展清潔和可再生能源技術(shù)意義重大。可充電鋅-空氣電池具有安全性高、零碳排放、理論能量密度高（1086 Wh kg-1）等優(yōu)點，被認(rèn)為是最有前景的電化學(xué)能量存儲和轉(zhuǎn)換設(shè)備之一。在諸多電極材料中，HEA作為一種由至少五種以接近等原子摩爾百分比混合的單一固溶體合金，與純金屬或者一般合金相比，具有獨特的高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)和遲滯擴(kuò)散效應(yīng)，在電催化領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。Pt由于具有較高的電負(fù)性（2.28），可接受其他過渡金屬元素的電子。因此，利用高熵合金策略可以將Pt與其他四種及以上的地球儲量豐富的過渡金屬元素進(jìn)行合金化，從而制備出能對氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）具有優(yōu)異催化能力的雙功能催化劑。一般而言，過渡金屬元素Fe、Co和Ni具有近乎相同的電負(fù)性（Fe（1.83）、Co（1.88）、Ni（1.91））和原子半徑（Fe（1.17 ?）、Ni（1.16 ?）、Co（1.15 ?）），經(jīng)常被引入形成Pt基納米HEA。此外，氮摻雜碳材料因與金屬納米顆粒有較強(qiáng)的親和力且自身具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，其作為載體被廣泛應(yīng)用于提高電催化劑的催化活性和穩(wěn)定性。

【成果簡介】

近期，南方科技大學(xué)徐強(qiáng)課題組在國際知名期刊Nano Research上發(fā)表題為“MOF-mediated synthesis of novel PtFeCoNiMn high-entropy nano-alloy as bifunctional oxygen electrocatalysts for zinc-air battery”的研究論文。該工作利用超快速焦耳加熱法實現(xiàn)了一系列具有微觀晶格畸變的PtFeCoNiM（M = Mn、Cr和Cu）納米HEA顆粒在金屬有機(jī)框架（ZIF-8）衍生的氮摻雜碳（NC）載體上的成功負(fù)載。其中，過渡金屬Fe/Co/Ni/Mn原子可以有效地調(diào)整HEA中Pt的電子結(jié)構(gòu)并增加系統(tǒng)熵值，最終達(dá)到提高催化劑活性和穩(wěn)定性的目的。此外，金屬有機(jī)框架熱分解后形成的氮摻雜多孔碳對負(fù)載的金屬納米顆粒起到了很好的錨定作用，同時，其固有的三維結(jié)構(gòu)、高比表面積和固有氮源等特性對催化ORR/OER具有一定的促進(jìn)作用。在所制備的諸多催化劑中，PtFeCoNiMn/NC催化劑表現(xiàn)出最優(yōu)的雙功能電催化活性，具有較正的ORR半波電位（0.863 V vs. RHE）和較低的OER過電位（357 mV @ 10 mA cm-2），且在堿性介質(zhì)中具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。將PtFeCoNiMn/NC作為陰極催化劑組裝的準(zhǔn)固態(tài)鋅-空氣電池顯示出192.16 mW cm-2的高功率密度、低充-放電電壓極化，在5 mA cm-2的充-放電電流密度下具有95 h的長循環(huán)壽命。納米HEA電子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和固有的雞尾酒效應(yīng)是促成PtFeCoNiMn/NC具備優(yōu)異催化性能的關(guān)鍵。本工作制備的PtFeCoNiMn/NC催化劑有望應(yīng)用于能量存儲和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 納米高熵合金PtFeCoNiM/NC催化劑的合成示意圖

圖2 納米高熵合金PtFeCoNiM/NC的結(jié)構(gòu)表征圖

圖3 催化劑的電化學(xué)性能表征圖

圖4 組裝的鋅空氣電池的性能圖

【通訊作者簡介】

肖欣簡介：南方科技大學(xué)研究助理教授，主要從事高效納米功能材料的制備、電催化應(yīng)用及構(gòu)效關(guān)系的探究。共發(fā)表SCI論文50余篇，其中以第一作者及共同通訊作者的身份在Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.、Chem、ACS Nano、Appl. Catal. B Environ.、Coord. Chem. Rev.等高水平期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文18篇。

徐強(qiáng)簡介：南方科技大學(xué)講席教授，日本工程院院士，印度國家科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)院院士。曾先后任日本國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）首席研究員，AIST-京都大學(xué)能源化學(xué)材料開放創(chuàng)新實驗室主任，神戶大學(xué)、京都大學(xué)教授（兼）。2014-2023年連續(xù)入選湯森路透-科睿唯安全球高被引學(xué)者，曾獲湯森路透研究前沿獎、洪堡研究獎及市村地球環(huán)境學(xué)術(shù)獎等。擔(dān)任《EnergyChem》主編，《Coord. Chem. Rev.》副主編，《Adv. Energy Mater.》、《Chem》、《Matter》、《Chem. Asian J. 》等期刊編委。目前主要致力于金屬有機(jī)框架及衍生物等材料的可控制備及其在催化、能源及環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用。

【課題組招聘】

根據(jù)課題組發(fā)展需求，課題組長期招聘光/電催化、傳感、電池、理論計算以及電鏡表征方向的博士后，應(yīng)聘者請將材料發(fā)至：xuq@sustech.edu.cn。

【核心儀器】

本文在制備高熵合金催化劑過程中使用的焦耳加熱裝置型號為JH3.3-P（合肥原位科技有限公司）。

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設(shè)備，該設(shè)備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內(nèi)達(dá)到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達(dá)到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應(yīng)用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質(zhì)等領(lǐng)域。