吕坚院士团队《AFM》：一种纳米海绵结构高熵金属玻璃合金催化剂

发展高效、耐用的碱性和酸性析氢电催化剂对未来氢经济的发展至关重要。然而，目前最先进的高性能电催化剂都是以结合贵金属为载体的碳载体为基础的，其复杂的加工方法是阻碍其商业化的主要原因。

来自新南威尔士大学Jamie J. Kruzic，哈尔滨工业大学孙李刚，香港城市大学吕坚团队等单位的研究人员，受高熵合金概念的启发，利用其固有的多重性，并利用其化学均匀性和可调性的玻璃合金设计，提出了一种可缩放的策略，在碱性和酸性条件下将四种等原子元素PdPtCuNiP合金化成高熵金属玻璃(HEMG)。HEMG的表面去合金化形成了具有纳米孔和嵌入纳米晶体的纳米巨型结构，提供了丰富的活性中心来实现优异的HER活性。当电流密度为10 mA cm⁻²时，在1.0M KOH和0.5M H₂SO₄溶液中的过电位分别为32 mV和62 mV，性能优于现有的大多数电催化剂。密度泛函理论表明，晶格畸变和纳米晶体的化学复杂性导致电子结构上有很强的协同效应，从而进一步稳定了氢质子的吸附/脱附。这种HEMG策略为设计用于电化学反应的成分复杂的合金建立了一个新的范例。相关论文发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202101586

在这项工作中，高熵合金的概念被引入到金属玻璃催化剂中，以获得原子水平上均匀分布的元素，这些元素可以部分脱离合金，从而实现对表面层的无与伦比的纳米结构控制。利用这一新策略，本文成功地研制出一种等原子组成、纳米结构可调的柔性独立式HEMG条带，可直接用作电化学HER中高效、可靠的电极。这种具有纳米级表面形貌的新型HEMG带在碱性和酸性条件下均表现出优异的HER活性，即在电流密度为10 mA cm⁻²时，在1M KOH和0.1M KOH溶液中的过电位分别为32 mV和93 mV，在0.5M H₂SO₄和0.05M H₂SO₄溶液中的过电位分别为62mV和73 mV。

此外，纳米级的HEMG带具有超可靠的HER性能，可以在≈100h内正常使用，试用期间的元素的浸出和结构退化可以忽略不计，这表明它具有很大的商业化潜力。密度泛函理论计算和实验表征表明，纳米级HEMG带优异的HER性能归因于脱合金化过程中生成的纳米晶具有轻微的晶格畸变，这是由于Pt-Pd亚晶格中P原子的间隙固溶体引起的。这些P间隙改善了电子结构，并且稳定了氢质子的吸附/脱附。

本研究为高熵材料提供了一种新的合金设计策略，这些材料在广泛的电催化应用中具有优越的性能。今后应重视利用这种HEMG设计策略来开发具有其他优异结构和功能特性的新型HEMG材料。（文：SSC）

图1| 纳米孔PdPtCuNiPHEMG的概念设计和表面表征

图2|纳米孔PdPtCuNiPHEMG空间结构的表征

图3|纳米晶体的成分分析和原子有序结构示意图

图4| 电化学HER活性示意图

图5| DFT模拟示意图