西南交通大学研究生院，西南交通大学研究生院官网招生网
近期，西南交通大学材料科学与工程学院金属材料系徐轶团队围绕高熵合金的结构功能一体化，在水制氢领域取得重要研究进展。在由国际权威科研机构美国化学学会（American Chemical Society，ACS）创办的工程技术领域权威期刊ACS Sustainable Chemistry＆Engineering(Top期刊，IF=9.224，一区)发表题为“Self-Circulating Adsorption-Desorption Structure of Non-Noble High-Entropy Alloy Electrocatalyst Facilitates Efficient Water Splitting”，该论文的第一作者为2021级硕士研究生何雨田，2021级博士研究生朱星桦，论文通讯作者为西南交通大学徐轶副教授和皇家墨尔本理工大学欧建臻教授。
电化学裂解水制氢被认为是获得氢气的一种有效方法。然而，这种方法高度依赖于一系列贵金属催化剂，如铂（Pt）。长期以来，人们一直在努力寻找替代催化剂，其中催化剂表面的氢气吸附和解吸因素通常被视为设计准则。尤其是较强的M-H键可以聚集更多的质子，但也将导致较弱的氢气解吸和较慢的活性位点释放；反之，则导致缓慢的氢气进化反应速率。由于成分的限制和固定的化学比例，要通过传统的二元合金实现对氢气吸附自由能的多样化调节具有很大有难度，这使得它们无法满足日益增长的性能需求。随着高熵合金的引入，人们提出了多主金属元素的协同催化作用的机制。在催化反应过程中，元素的协同作用对优化高熵合金起着重要作用。
西南交通大学徐轶团队结合元素的类比性和结构的特殊性，并通过混合熵将两者联系起来设计了一种具有吸附-解吸自循环结构的非贵金属高熵合金纳米催化剂。在FeCoNiMoW HEA的FCC基体中，析出了大量具有斜方体结构的高熵纳米颗粒（HEA NPs）。通过组合和优化五种金属元素，实现了M-H键的强度和析氢自由能的最佳匹配。进而设计了一个具有原子自循环”生态系统”的HEA纳米结构。调整了FeCoNiWMo HEA NPs中的Co/Mo元素比例，证实了有序结构HEA NPs的含量与析氢性能呈线性关系。此外，球差透射电子显微镜（TEM）观测和密度泛函理论（DFT）计算详细揭示了其优异的性能归功于斜方体晶体结构和由金属原子选择性替代组成的自循环”生态系统”。在HER中，催化剂在碱性和酸性条件下电流密度为10 mA·cm-2的的过电位分别只有35 mV和81 mV，而且该催化剂在工作48小时后仍具有良好的稳定性。更具吸引力的是，FeCoNiWMo HEA催化剂的成本仅为商业Pt/C电极的0.04%。
相关成果得到了国家自然科学基金、四川省科技厅、四川省经信厅，材料先进技术教育部重点实验室、四川省钒钛钢铁产业协会的支持。
来源：西南交通大学
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c06888
西南交通大学研究生院(西南交通大学研究生院官网招生网)