質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種很有前景的可持續(xù)能源系統(tǒng)，可以有效地將氫氣轉(zhuǎn)化為電能。PEMFC中的氧還原反應(yīng)(ORR)是一個(gè)涉及多個(gè)電子和質(zhì)子的過程，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，限制了PEMFC的實(shí)際應(yīng)用。目前，Pt基催化劑仍然是ORR反應(yīng)的基準(zhǔn)催化劑，在酸性電解質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和耐久性。由于Pt的儲(chǔ)量稀缺和成本高昂，需要開發(fā)合理的方法來提高Pt基催化劑的活性，以降低催化劑中Pt的載量。

有研究表明，Pt與其他過渡金屬(TMs)合金化是優(yōu)化Pt-TM催化劑表面電子結(jié)構(gòu)以提高其電催化性能的最有效方法之一。盡管ORR活性顯著提高，但Pt-TMs合金通常為面心立方型(fcc)固溶體結(jié)構(gòu)，這限制了TMs在酸性O(shè)RR條件下的穩(wěn)定性，從而削弱了TMs在Pt-TM合金中的優(yōu)勢(shì)。

基于此，北京大學(xué)夏定國課題組通過空間受限策略首次合成含有六種組分的具有良好有序結(jié)構(gòu)的超小PtFeCoNiCuZn金屬間化合物(PFCNCZ-HEI)，并將其用于有效催化ORR。合成的PFCNCZ-HEI納米粒子的平均粒徑約為2 nm，幾乎是高熵金屬間化合物的最小值。同時(shí)，與現(xiàn)有的Pt/C催化劑相比，PFCNCZ-HEI催化劑具有活性高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是酸性條件下ORR反應(yīng)的理想催化劑。

具體而言，PFCNCZ-HEI催化劑在0.90 V_RHE時(shí)的質(zhì)量活性和比活性分別達(dá)到2.403 A mg_Pt^?1和3.471 mA cm^?2，分別是商業(yè)Pt/C催化劑的19倍和18.9倍。此外，以PFCNCZ-HEI (0.03 mg_Pt cm^?2)作為陰極組裝的PEMFC獲得了1.4 W cm^?2的功率密度和45 W mg_Pt^?1的質(zhì)量歸一化額定功率。

理論計(jì)算結(jié)果顯示，與各自的純金屬元素相比，PFCNCZ-HEI中各元素的d帶電子軌道明顯變寬，增強(qiáng)了元素之間的軌道重疊，促進(jìn)了它們之間的電荷轉(zhuǎn)移，證明不同元素之間發(fā)生了強(qiáng)鍵合，從而增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。還有就是，不僅Pt位點(diǎn)具有高活性，非貴金屬位點(diǎn)也被激活，所形成的多活性位點(diǎn)顯著提高了ORR性能。綜上，該項(xiàng)工作本研究不僅提供了一種制備超小HEI的可行策略，而且為開發(fā)高度有序的HEI納米粒子電催化劑提供了設(shè)計(jì)方向。

An ultrasmall ordered high-entropy intermetallic with multiple active sites for the oxygen reduction reaction. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c12649