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東南/哈工大EES: 真空誘導(dǎo)高熵合金薄膜中微應(yīng)變，促進pH通用析氫

利用可再生能源驅(qū)動的電催化制氫在緩解全球能源危機和環(huán)境污染問題中起著至關(guān)重要的作用。目前大多數(shù)HER電催化劑都具有良好的催化活性和選擇性，但由于結(jié)構(gòu)和催化穩(wěn)定性較弱，因此沒有達到工業(yè)和可持續(xù)性的要求。高熵合金(HEAs)具有豐富的組成多樣性，同時其復(fù)雜的化學性質(zhì)提供了協(xié)同效應(yīng)和可調(diào)的電子結(jié)構(gòu)，可以克服反應(yīng)中間體吸附能調(diào)節(jié)的限制。到目前為止，人們關(guān)注的焦點是選擇提供協(xié)同相互作用的元素來提高催化性能，這種方法通常被稱為高熵“雞尾酒效應(yīng)”。相比之下，其他調(diào)節(jié)電子構(gòu)型和修改HEAs催化行為的基本和通用策略，例如應(yīng)變工程，很少被報道。

近日，東南大學沈?qū)汖?/strong>、賈喆和哈爾濱工業(yè)大學(深圳)孫李剛等通過脈沖激光沉積(PLD)制備的FeCoNiCrPt HEA薄膜，隨后在酸溶液中進行電化學處理。根據(jù)其固有活性和電極電位仔細選擇組分，以確保電化學處理選擇性地從表面剝離原子，導(dǎo)致晶格中大量的空位產(chǎn)生微應(yīng)變場。

結(jié)果顯示，被酸處理了300秒的HEA (EE.300s)表現(xiàn)出較強的應(yīng)變波動，壓縮應(yīng)變主要是在空位附近觀察到的，而拉伸應(yīng)變主要與Pt原子有關(guān)。得益于這種空位誘導(dǎo)的微應(yīng)變，EE.300s HEA在堿性、酸性和中性條件下，分別僅需18、46和73 mV的HER過電位就能達到10 mA cm^-2的電流密度；同時，在堿性和酸性條件下，該催化劑僅需104和106 mV的過電位就可以驅(qū)動1 A cm^-2的電流密度。

此外，EE.300s HEA在500 mA cm^-2下的H₂法拉第效率高達99.1%，在100 mV過電位下的周轉(zhuǎn)頻率為0.254 s^-1，超過了大多數(shù)最先進的電催化劑。為進一步驗證該材料的實際應(yīng)用潛力，研究人員將EE.300s HEA作為陰極組裝了陰離子交換膜(AEM)電解槽。該電解槽只需要2.0 V的電池電壓即可達到100 mA cm^-2的電流密度，同時在該電流密度下保持~500 h的穩(wěn)定性。

微觀結(jié)構(gòu)分析和計算計算表明，在低配位環(huán)境下的活性位點增強了電荷的轉(zhuǎn)移，從而提高了水的吸附能力；此外，微應(yīng)變效應(yīng)將Pt的d帶中心下移到最佳位置，降低了Pt與中間體之間的結(jié)合親和力，增強了析氫反應(yīng)活性。綜上，該項研究不僅為pH通用條件下的大規(guī)模制氫提供了實用途徑，而且突出了納米級非均應(yīng)變場在多主催化劑中的有效性，對理解和設(shè)計可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化高性能材料提供了指導(dǎo)。

Vacancy induced microstrain in high-entropy alloy film for sustainable hydrogen production under universal pH conditions. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D4EE01139B

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