梯度分层多孔结构由于能够实现从溶液到内部活性位点的快速传质，因此可以有效地增强催化反应。然而，如何方便、合理地设计具有均匀空间梯度和高稳定性的结构仍然是一个挑战。本文报道了一种基于物理冶金的具有独特三尺度梯度孔隙度的自支撑高熵合金（HEA）催化剂。通过调整负混合焓FeCoNiCr-Zr共晶HEA的多长度尺度相，可以有效地控制催化剂的分层多孔结构。作为一种出氧催化剂，分层多孔HEA在10 mA cm - 2和1A cm - 2下的过电位分别为215和370 mV。这主要是由于梯度介孔提供了丰富的可接近的反应位点和由多组分合金化的协同电子效应产生的特殊的固有反应性。此外，得益于整体梯度孔隙度可以抑制剧烈的气泡冲击，以及固有的高熵金属间化合物的化学稳定结构，该催化剂在2 A cm - 2下表现出超过1000 h的非凡耐久性。这项工作为开发高效低成本的催化剂提供了一个新的范例，该催化剂具有坚固的梯度分层多孔结构，可用于各种能量转换技术的实际应用。
层次多孔HEA的制备和形貌。a) FeCoNiCr-Zr EHEA负混合焓多相结构操纵示意图。b) EHEA-Zr0.25和D-EHEA-Zr0.25的XRD谱图。c) EHEA-Zr0.25全合金板（厚度≈400µm）的SEM横截面图。d) D-EHEA-Zr0.25的表面形貌。e)二级纳米孔结构的放大SEM图像。
梯度分层多孔HEA的深入结构表征。a)合金纳米片层通道结构的TEM图像。b) D-EHEA-Zr0.25的三级介孔结构。在TEM试样制备过程中形成非晶层。c)介孔结构的原子STEM图像。上图显示了相应的FFT模式；下图为沿[110]区轴的ni7zr2型金属间化合物构型的放大图。d)介孔结构的STEM元素映射。
层次多孔HEA催化剂的OER性能。a) 1.0 m KOH水溶液中D-EHEA-Zr0.25、EHEA-Zr0.25、RuO2和IrO2的LSV曲线。扫描速率：5mv s−1。b)这些催化剂对应的Tafel图。c)比较D-EHEA-Zr0.25与最近报道的各种电催化剂在电流密度为10 mA cm−2、0.5 A cm−2和1 A cm−2时的OER性能。d) 2 A cm−2电流密度下D-EHEA-Zr0.25催化剂的长期稳定性测量。左图和右图分别为D-EHEA-Zr0.25催化剂在OER作用100和1000 h后的表面SEM形貌。
分级多孔HEA催化剂在长期OER过程中的结构演变。a) D-EHEA-Zr0.25经过100 h OER耐久性试验后的HAADF图像。b)沿着a)中蓝色箭头标记的EDS线扫描。c) D-EHEA-Zr0.25在50、100和1000 h OER测试后的XPS光谱变化。d)在2 A cm−2电流密度下进行1000 h OER稳定性测试后，ICP检测D-EHEA-Zr0.25的元素溶出度。
a)在1.0 m KOH水溶液中，D-EHEA-Zr0.25-Pt、D-EHEA-Zr0.25和商用Pt/C的HER LSV曲线。扫描速率：5 mV s−1。b)分别以D-EHEA-Zr0.25为阳极、D-EHEA-Zr0.25-Pt为阴极、IrO2||Pt/C为电极，不同条件下电催化水分解的极化曲线。插图为装配式水电解槽的原理图。c) D-EHEA-Zr0.25 | D-EHEA-Zr0.25-Pt电极在30% KOH、85℃、0.1、0.5和2 A cm−2电流密度下的水电解槽耐久性试验。
综上所述，我们开发了一种基于物理冶金的自支撑分层多孔HEA催化剂，用于高效的水分解。通过定制特殊设计的负混合焓FeCoNiCr-Zr EHEA的多长度尺度相结构，可以有效地控制催化剂独特的三尺度梯度孔隙率。具有多尺度的合金分层多孔结构不仅提供了大的有效表面积，而且为电催化提供了电荷和质量传递路径。结果表明，该催化剂在碱性介质中表现出优异的OER性能，其过电位为215 mV，电流密度为10 mA cm−2，塔菲尔斜率为44.9 mV dec−1。该催化剂在2 A cm−2的超高电流密度下也表现出优异的OER稳定性。此外，在EHEA前驱体中预先合金少量Pt可以显著提高催化剂的HEA性能。作为一种高效的整体水分解催化剂，分层多孔hea组装的水电解槽在10 mA cm - 2下达到1.48 V的低电压，并在各种工业条件下表现出扩展的稳定性。这项工作强调了通过物理冶金工程利用多组分合金的多相性质来开发具有低成本和高效率的有前途的梯度分层多孔电催化剂的潜力，用于广泛的能量转换应用。
Architecting Gradient Hierarchically Porous Catalyst via Negative Mixing Enthalpy High‐Entropy Alloy for Durable Water Splitting at Ampere‐Level Current Density - Zhang - Advanced Functional Materials - Wiley Online Library
https://doi.org/10.1002/adfm.202414446
本文仅技术交流，无盈利目的，侵权请联系删除！
热门跟贴