应用成果

【背景介绍】

为实现碳中和和零碳排放的目标，发展清洁和可再生能源技术意义重大。可充电锌-空气电池具有安全性高、零碳排放、理论能量密度高（1086 Wh kg-1）等优点，被认为是最有前景的电化学能量存储和转换设备之一。在诸多电极材料中，HEA作为一种由至少五种以接近等原子摩尔百分比混合的单一固溶体合金，与纯金属或者一般合金相比，具有独特的高熵效应、晶格畸变效应和迟滞扩散效应，在电催化领域显示出巨大的应用前景。Pt由于具有较高的电负性（2.28），可接受其他过渡金属元素的电子。因此，利用高熵合金策略可以将Pt与其他四种及以上的地球储量丰富的过渡金属元素进行合金化，从而制备出能对氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）具有优异催化能力的双功能催化剂。一般而言，过渡金属元素Fe、Co和Ni具有近乎相同的电负性（Fe（1.83）、Co（1.88）、Ni（1.91））和原子半径（Fe（1.17 Å）、Ni（1.16 Å）、Co（1.15 Å）），经常被引入形成Pt基纳米HEA。此外，氮掺杂碳材料因与金属纳米颗粒有较强的亲和力且自身具有优异的导电性，其作为载体被广泛应用于提高电催化剂的催化活性和稳定性。

【成果简介】

近期，南方科技大学徐强课题组在国际知名期刊Nano Research上发表题为“MOF-mediated synthesis of novel PtFeCoNiMn high-entropy nano-alloy as bifunctional oxygen electrocatalysts for zinc-air battery”的研究论文。该工作利用超快速焦耳加热法实现了一系列具有微观晶格畸变的PtFeCoNiM（M = Mn、Cr和Cu）纳米HEA颗粒在金属有机框架（ZIF-8）衍生的氮掺杂碳（NC）载体上的成功负载。其中，过渡金属Fe/Co/Ni/Mn原子可以有效地调整HEA中Pt的电子结构并增加系统熵值，最终达到提高催化剂活性和稳定性的目的。此外，金属有机框架热分解后形成的氮掺杂多孔碳对负载的金属纳米颗粒起到了很好的锚定作用，同时，其固有的三维结构、高比表面积和固有氮源等特性对催化ORR/OER具有一定的促进作用。在所制备的诸多催化剂中，PtFeCoNiMn/NC催化剂表现出最优的双功能电催化活性，具有较正的ORR半波电位（0.863 V vs. RHE）和较低的OER过电位（357 mV @ 10 mA cm-2），且在碱性介质中具有很强的稳定性。将PtFeCoNiMn/NC作为阴极催化剂组装的准固态锌-空气电池显示出192.16 mW cm-2的高功率密度、低充-放电电压极化，在5 mA cm-2的充-放电电流密度下具有95 h的长循环寿命。纳米HEA电子结构的优化和固有的鸡尾酒效应是促成PtFeCoNiMn/NC具备优异催化性能的关键。本工作制备的PtFeCoNiMn/NC催化剂有望应用于能量存储和转换系统中。

【图文导读】

图1 纳米高熵合金PtFeCoNiM/NC催化剂的合成示意图

图2 纳米高熵合金PtFeCoNiM/NC的结构表征图

图3 催化剂的电化学性能表征图

图4 组装的锌空气电池的性能图

【通讯作者简介】

肖欣简介：南方科技大学研究助理教授，主要从事高效纳米功能材料的制备、电催化应用及构效关系的探究。共发表SCI论文50余篇，其中以第一作者及共同通讯作者的身份在Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.、Chem、ACS Nano、Appl. Catal. B Environ.、Coord. Chem. Rev.等高水平期刊上发表学术论文18篇。

徐强简介：南方科技大学讲席教授，日本工程院院士，印度国家科学院院士，欧洲科学院院士。曾先后任日本国立产业技术综合研究所（AIST）首席研究员，AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室主任，神户大学、京都大学教授（兼）。2014-2023年连续入选汤森路透-科睿唯安全球高被引学者，曾获汤森路透研究前沿奖、洪堡研究奖及市村地球环境学术奖等。担任《EnergyChem》主编，《Coord. Chem. Rev.》副主编，《Adv. Energy Mater.》、《Chem》、《Matter》、《Chem. Asian J. 》等期刊编委。目前主要致力于金属有机框架及衍生物等材料的可控制备及其在催化、能源及环境等领域的应用。

【课题组招聘】

根据课题组发展需求，课题组长期招聘光/电催化、传感、电池、理论计算以及电镜表征方向的博士后，应聘者请将材料发至：xuq@sustech.edu.cn。

【核心仪器】

本文在制备高熵合金催化剂过程中使用的焦耳加热装置型号为JH3.3-P（合肥原位科技有限公司）。

焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。