原子級可控高熵合金登上最新Nat. Commun.

一、【導讀】

各種合金的原子級表面設計是提高表面催化性能的關鍵，而表面催化性能對新型電催化材料的開發至關重要，因為從組成元素的種類及其成分來看，合金表面的結構更為復雜。高熵合金（HEAs）通常由五種以上的元素組成，由于其獨特的熱力學和化學特性而引起了廣泛關注。迄今為止，高熵合金在各類電催化方面的應用研究已有報道，然而只有少數研究報告闡明了HEAs電催化的催化和表面原子級結構關系。全面了解表面原子級結構與催化性能之間的關系對于促進新型催化劑的開發至關重要。材料信息學（MI）在預測此類復雜的多組分合金的催化特性方面具有強大的作用，但對于實際的新型催化劑開發而言，計算HEAs系統所需的機器時間、計算條件以及可靠的數據集仍然不足。因此，基于HEAs表面原子級特征的系統性基礎實驗研究至關重要。

?二、【成果掠影】

近日，日本東北大學環境研究院Yoshihiro Chida團隊提出了一個實驗研究平臺，可以在真空中合成原子級可控的單晶高熵合金表面，并評估其催化性能。該平臺提供了對電催化的微觀結構基礎至關重要的基本信息，即多組分合金表面微結構與其催化特性之間的詳細關系。在低指數單晶Pt基襯底（Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt(hkl)）上合成了納米厚的Pt和等原子比Cr-Mn-Fe-Co-Ni外延堆垛層，即所謂的Cantor合金，作為氧還原反應（ORR）電催化的Pt基單晶合金表面模型。與Pt-Co二元表面相比，高熵合金表面具有更優異的氧還原反應性能，從而證明了該平臺的實用性。該研究以題為“Experimental study platform for electrocatalysis of atomic-level controlled high-entropy alloy surfaces”發表在知名期刊Nature Communications上。

三、【核心創新點】

開發了可在真空中合成原子級可控的單晶高熵合金表面，并評估其催化性能得實驗平臺，可用于揭示多組分合金表面微結構與其催化特性之間的詳細關系。

四、【數據概覽】

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圖1? HEA電催化模型表面實驗研究平臺示意圖 ? 2023 The Authors

元素的調節、相應APD靶的混合比，以及來自多個APD靶或兩者的組合或同時沉積，使得HEA沉積能夠與設計的組合物完全混合。

圖2? Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt(hkl)的結構表征 ? 2023 The Authors

合成的Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt (111)，(110)和(100)的橫截面HAADF-STEM以及彩色EDS圖像。

圖3? Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt（hkl）在PC負載下的CV曲線和ORR活性 ? 2023 The Authors

新制的Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt (111)，(110)和(100)和其降階態在0.05-1.0?V的CV曲線。

圖4? Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt(hkl)在PC負載下的表面降解 ? 2023 The Authors

（a）、（d）和（g）中黃色框標記的區域的相對低放大率（第一列）和原子分辨高放大率的橫截面HAADF-STEM圖像（第二列），其中（111）、（110）、（100）和（211）的表面域分別用橙色、藍色、紅色和綠色突出顯示。

（第三列）Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt（111）、（110）和（100）的合成（1，淡藍色）和5000PC負載（2，淡紅色）樣品在表面法線方向上的Pt的EDS強度-深度分布。

?五、【成果啟示】

研究人員開發了一個實驗性電催化研究平臺，該平臺能夠合成定義明確的單晶HEA模型催化劑表面，并通過對表面進行原子級評估來研究Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni HEAs系統的典型電催化。在成功地在真空中合成了控制良好的 Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni 單晶表面后，對電化學評估前后的表面進行的詳細微觀結構分析表明，可以追溯到影響ORR性能的原子級微觀結構因素。特別地，Cr-Mn-Fe-Co-Ni HEA層的元素分布決定了ORR特性，尤其是富Pt表面層的電化學結構穩定性。此外，研究還發現，Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt（hkl）六元合金表面的PC負載產生了由富含鉑的表面和其下富Pt表面和下層Cr-Mn-Fe-Co-Ni富層組成的“偽核殼狀結構”。本研究驗證了實驗研究平臺的有效性，該平臺可用于闡明在任何組成元素和比例下HEAs的原子級表面微觀結構與電催化性能之間的精確相關性。利用該平臺可以彌合MI提供的科學計算預測與納米HEA催化劑實際催化性能之間的差距，提供可靠的數據集。這一強大的實驗平臺不僅適用于電催化，還適用于HEA功能納米材料的其他領域。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40246-5

本文由賽恩斯供稿。