【背景介紹】

為實現碳中和和零碳排放的目標，發展清潔和可再生能源技術意義重大。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）等優點，被認為是最有前景的電化學能量存儲和轉換設備之一。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、晶格畸變效應和遲滯擴散效應，在電催化領域顯示出巨大的應用前景。Pt由于具有較高的電負性（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行合金化，從而制備出能對氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER）具有優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的親和力且自身具有優異的導電性，其作為載體被廣泛應用于提高電催化劑的催化活性和穩定性。

【成果簡介】

近期，南方科技大學徐強課題組在國際知名期刊Nano Research上發表題為“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顆粒在金屬有機框架（ZIF-8）衍生的氮摻雜碳（NC）載體上的成功負載。其中，過渡金屬Fe/Co/Ni/Mn原子可以有效地調整HEA中Pt的電子結構并增加系統熵值，最終達到提高催化劑活性和穩定性的目的。此外，金屬有機框架熱分解后形成的氮摻雜多孔碳對負載的金屬納米顆粒起到了很好的錨定作用，同時，其固有的三維結構、高比表面積和固有氮源等特性對催化ORR/OER具有一定的促進作用。在所制備的諸多催化劑中，PtFeCoNiMn/NC催化劑表現出最優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），且在堿性介質中具有很強的穩定性。將PtFeCoNiMn/NC作為陰極催化劑組裝的準固態鋅-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的長循環壽命。納米HEA電子結構的優化和固有的雞尾酒效應是促成PtFeCoNiMn/NC具備優異催化性能的關鍵。本工作制備的PtFeCoNiMn/NC催化劑有望應用于能量存儲和轉換系統中。

【圖文導讀】

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的結構表征圖

圖3 催化劑的電化學性能表征圖

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、電催化應用及構效關系的探究。共發表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.等高水平期刊上發表學術論文18篇。

徐強簡介：南方科技大學講席教授，日本工程院院士，印度國家科學院院士，歐洲科學院院士。曾先后任日本國立產業技術綜合研究所（AIST）首席研究員，AIST-京都大學能源化學材料開放創新實驗室主任，神戶大學、京都大學教授（兼）。2014-2023年連續入選湯森路透-科睿唯安全球高被引學者，曾獲湯森路透研究前沿獎、洪堡研究獎及市村地球環境學術獎等。擔任《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框架及衍生物等材料的可控制備及其在催化、能源及環境等領域的應用。

【課題組招聘】

根據課題組發展需求，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，應聘者請將材料發至：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/合成的設備，該設備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環境、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、生物質等領域。