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【DFT+實驗】姜思達/宋波AFM：具有成本效益的高熵核殼纖維實現大電流密度析氧

電解水是生產氫氣的重要途徑，對應對能源危機具有重要意義。然而，陽極的析氧反應(OER)由于其復雜的四電子轉移過程和多種中間體，仍然是全解水的瓶頸問題。一般來說，貴金屬基電催化劑可以通過一個相對較低的過電位(η)來克服OER動力學能壘。不幸的是，它們的大規模工業應用仍然受到貴金屬的稀缺性和高成本的限制。因此，氧化物，氫氧化物和過渡金屬合金正在被開發以減少貴金屬的消耗。在各種電催化劑中，高熵合金(HEAs)因其獨特的優勢而使得它們非常適合各種能源轉換應用。各種類型的HEAs，包括高熵氧化物和非晶合金，分別被認為是最有前景的析氫反應(HER)和OER電催化劑。與尖晶石氧化物和鈣鈦礦氧化物相比，高熵氧化物具有更高的氧化還原特性和更好的析氧動力學，具有更廣泛的電化學穩定性以及更好的耐腐蝕性和更大的化學柔韌性。

基于此，哈爾濱工業大學姜思達和宋波(共同通訊)等人采用理論與實驗相結合的方法，制備了核殼結構的FeCoNiMoAl基HEA作為OER電催化劑。

本文在1 M KOH中測試了不同電極的電化學OER活性。極化曲線表明，Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀電極在所有催化劑中表現出最佳的催化活性，其η₁₀為223 mV，η₂₀₀₀為470 mV。而η₁₀分別為335、304、288、267、241和318 mV的Ni₇₅Fe₂₅、Ni₅₀Fe₅₀、Ni₃₄Fe₃₃Co₃₃、Fe₂₅Co₂₅Ni₂₅Mo₂₅、Fe₂₅Co₂₅Ni₂₅Al₂₅和Ir，與Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀相比則具有相對有限的催化活性。同時，Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀電極具有較高的質量活性，并且在η=470 mV時，Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀電極的電流密度在所有催化劑中最高。此外，Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀具有相對較小的39.8 mV dec^-1的Tafel斜率，表明其具有較快的OER動力學，而Ni₇₅Fe₂₅(53.5 mV dec^-1)，Ni₅₀Fe₅₀(53.7 mV dec^-1)，Ni₃₄Fe₃₃Co₃₃(45.3 mV dec^-1)，Fe₂₅Co₂₅Ni₂₅Mo₂₅(52.1 mV dec^-1)，Fe₂₅Co₂₅Ni₂₅Al₂₅(43.6 mV dec^-1)和Ir(92.8 mV dec^-1)則具有較緩慢的反應動力學。

有趣的是，Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀在1 A cm^-2或2 A cm^-2的電流密度下的η優于大多數報道的OER電催化劑，這表明Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀作為自支撐電極在大電流密度和低能耗下驅動全解水的潛力很大。為了進一步驗證Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀的工業應用潛力，本文將Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Mo₂₀Al₂₀同時作為陰極和陽極催化劑，評估了其全水解性能。很明顯，它只需要1.73 V和2.06 V就可以達到1和2 A cm^-2的電流密度。這些值甚至低于基準的全水解電催化劑，如Pt/C//IrO₂(2.14 V@1 A cm^-2)。

本文通過理論計算研究了c-a異質結構的催化機理。Bader電荷分析表明，分別有0.6和0.08個電子從Co氧化物和Ni氧化物轉移到非晶層，導致Co和Ni物質的價態更高，這有利于OER過程。態密度(DOS)分析表明，c-a界面的電子結構的改變也誘導了良好的導電性，電子能級在費米能級(E_F)附近連續分布。進一步的計算得到，c-a界面中Ni的d帶中心位置為-1.71 eV，與非晶態(-1.76 eV)和納米晶態(-1.84 eV)的Ni相比，c-a界面中Ni的d帶中心位置上移表明其在OER過程中具有更高的反鍵能態和更強的吸附能力。

為了研究催化劑的OER能壘，本文進一步計算了不同模型的吉布斯自由能(ΔG)的變化。對于納米晶Ni氧化物，在c-a界面的Co位點，在c-a界面的Ni位點，速率決定步驟(RDS)為^*OH氧化為^*O，ΔG_max分別為0.542、0.146和0.441 eV。對于納米晶Co氧化物，RDS是^*O氧化為^*OOH，ΔG_max為1.899 eV。對于非晶態，RDS是^*OOH氧化為O₂，ΔG_max為0.344 eV。總之，理論計算結果表明，c-a異質結構的合理設計有望提高HEA電催化劑的催化性能，本文的研究結果也表明了HEA基纖維的工業前景。

Cost-Effective High Entropy Core-Shell Fiber for Stable Oxygen Evolution Reaction at 2 A cm^-2,?Advanced Functional Materials,?2023, DOI: 10.1002/adfm.202306889.

https://doi.org/10.1002/adfm.202306889.

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