北大夏定國課題組JACS：具有高活性晶面的有序高熵金屬間化合物納米顆粒用于實際氫燃料電池

張熙熙 3個月前 (07-08) 1281瀏覽

一、【導讀】?

開發高效的催化劑對可再生能源轉化和實現碳中和都將具有重要意義。為了滿足實際應用中催化性能的需要，精確控制催化劑的組成、結構和形貌引起了人們極大的關注。多組分高熵合金(HEAs)、原子有序金屬間化合物和具有高活性面的特定納米晶體等熱門材料作為先進的催化劑，盡管表現出良好的應用前景，但目前的研究仍遭受各種局限和挑戰。

HEAs催化劑目前絕大多數都是無序固溶體合金，具有更加突出特性的結構有序的高熵金屬間化合物(HEI)納米催化劑卻很少被報道。這是因為高熵金屬間化合物的合成需要高溫來克服無序向有序轉變的能壘，不可避免地導致塊體結構或相分離。因此，迫切需要更深入的研究工作來加速有序高熵金屬間化合物在能源相關領域的研究和應用。

構建高活性面是提高催化劑活性的關鍵。目前，制備高活性晶面的主要方法是通過調節金屬催化劑的形貌來獲得高指數晶面。然而，由于具有高表面能和熱力學不穩定性，具有高指數晶面的催化劑在電化學反應中并不穩定，因此往往在實際燃料電池中很少使用。相比之下，低指數晶面具有更好的熱力學穩定性，但催化活性往往不如高指數晶面。特別是，金屬催化劑中的(100)面通常被認為是低活性面。因此，將低指數晶面轉變為高活性晶面將具有重要意義。

二、【成果掠影】

北京大學夏定國教授首次報道了具有超高活性晶面的結構有序PtIrFeCoCu HEI (PIFCC-HEI) 納米顆粒(NPs)。PIFCC-HEI NPs在碳載體上分布均勻，平均粒徑為6 nm。經高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)和X射線衍射(XRD)圖譜證實了PIFCC-HEI NPs結構有序的金屬間化合物結構。在0.1 M HClO₄溶液的氧還原反應(ORR)中，PIFCC-HEI/C在0.85 V時顯示出7.14 A mg_{noble metals}^-1的超高質量活性，并且在60 000次電勢循環中具有卓越的穩定性。。此外，以PIFCC-HEI/C為陰極組裝的質子交換膜燃料電池(PEMFCs)在H₂/ O₂模式下的峰值功率密度為1.73 W cm^-2，工作80 h后幾乎沒有工作電壓衰減，優于商用Pt/C催化劑和大多數已報道的催化劑，表現出頂級的性能。理論計算與實驗結果相結合表明PIFCC-HEI/C在ORR和PEMFC中的優越性能主要歸功于超高活性面的構建。特別是(001)晶面為ORR限速步驟提供了最低的活化能壘，最佳的d帶中心的下移，以及更有效的電子結構調控。此工作不僅為催化劑中高活性面的構建開辟了一條新的途徑，而且還為結構有序的高熵金屬間化合物在實際燃料電池和其它潛在能源相關中的可行應用提供了強有力的支撐。

相關研究工作以“Engineering Structurally Ordered High-Entropy Intermetallic Nanoparticles with High-Activity Facets for Oxygen Reduction in Practical Fuel Cells”為題發表在國際頂級期刊Journal of the American Chemical Society上，夏定國教授為通訊作者，馮廣博士為第一作者。

?三、【核心創新點】