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?楊培東Nano Letters：揭示IrFeCoNiCu高熵合金在酸性O(shè)ER下的結(jié)構(gòu)演變

利用可再生電能在酸性介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)電化學(xué)分解水是大規(guī)模制氫的重要途徑。然而，作為陽(yáng)極半反應(yīng)的析氧反應(yīng)(OER)由于其緩慢的動(dòng)力學(xué)和苛刻的反應(yīng)環(huán)境阻礙了高效質(zhì)子交換膜水電解器的廣泛應(yīng)用。目前，IrO₂和RuO₂是最先進(jìn)的酸性O(shè)ER催化劑，但由于Ir和Ru的溶解，它們?cè)谒嵝詶l件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍然不足。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)具有更高活性和穩(wěn)定性的OER催化劑，以實(shí)現(xiàn)更有效的酸性水分解。

基于此，加州大學(xué)伯克利分校楊培東課題組利用微波輔助沖擊合成法在碳紙上合成IrFeCoNiCu-HEA納米顆粒，其表現(xiàn)出優(yōu)異的酸性O(shè)ER活性。OER性能測(cè)試結(jié)果顯示，所制備的IrFeCoNiCu-HEA催化劑在0.1 M HClO₄溶液中僅需302 mV的過(guò)電位就能達(dá)到10 mA cm^?2的電流密度，并且其Tafel斜率為58.0 mV dec^?1，由于純的Ir催化劑和其他IrM雙金屬系統(tǒng)。

此外，該催化劑還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，其在10 mA cm^?2電流密度下連續(xù)運(yùn)行12小時(shí)，過(guò)電位僅增加60 mV，而相同條件下Ir催化劑的過(guò)電位增加120 mV。

此外，研究人員分析了催化劑在OER前后的結(jié)構(gòu)變化。STEM-EDX圖顯示出IrFeCoNiCu-HEA催化劑在經(jīng)歷初始電化學(xué)CV活化后，在納米粒子表面形成了一層平均厚度約2-6 nm的富Ir殼層(說(shuō)明封裝的碳層和3d金屬原子(Fe，Co，Ni和Cu)從納米粒子表面溶解)，同時(shí)納米粒子的核保持了高熵合金特有的元素分布均勻性，沒(méi)有明顯的相分離或元素偏析；在經(jīng)歷4小時(shí)、8小時(shí)和12小時(shí)10 mA cm^-2計(jì)時(shí)電位測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)富含Ir的殼的平均厚度沒(méi)有顯著增加，這表明活化后的結(jié)構(gòu)是相對(duì)穩(wěn)定的，并沒(méi)有經(jīng)歷進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)衰變。

以上結(jié)果表明，高熵合金納米粒子在暴露于苛刻的電催化環(huán)境(如高氧化和酸性條件)后，也容易發(fā)生表面結(jié)構(gòu)變化；近表面的熵穩(wěn)定效應(yīng)不足以克服表面電化學(xué)氧化還原的影響，導(dǎo)致一定程度的表面重構(gòu)。

Understanding the Structural Evolution of IrFeCoNiCu High-Entropy Alloy Nanoparticles under the Acidic Oxygen Evolution Reaction. Nano Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01831

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