直接乙醇燃料電池（DEFCs）由于燃料價格更低、乙醇生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施和行業(yè)成熟、易于存儲和運輸?shù)仍颍噍^于氫燃料電池具有更大的優(yōu)勢。然而，電催化乙醇氧化反應(yīng)（EOR）在陽極的反應(yīng)動力學(xué)緩慢顯著危及了DEFCs的實際性能，制約了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。由于完全氧化乙醇需要通過轉(zhuǎn)移12個電子來裂解碳-碳鍵（即C1-12e途徑），因此需要具有高負載鉑族金屬（PGMs），例如Pt和Pd基電催化劑來促進完全反應(yīng)，但在此類催化劑表面產(chǎn)生的CO中間體由于缺乏氧化劑（OH*和O*），在低電位下無法進一步氧化成CO₂，從而毒化活性位點，降低PGMs對EOR的活性和穩(wěn)定性。而產(chǎn)生氧化劑需要高電位，會抑制C-C鍵的裂解，導(dǎo)致反應(yīng)過程不完整。因此，即使在PGMs表面，EOR也往往通過不完整的4e或2e不完全氧化途徑進行，分別產(chǎn)生乙酸/乙酸鹽或乙醛為產(chǎn)物，導(dǎo)致DEFCs的輸出性能和電池效率較差。因此，開發(fā)高活性和穩(wěn)定性的低PGM含量EOR和ORR催化劑是緊迫的任務(wù)。高熵合金（HEAs）具有活性位點多、極端條件穩(wěn)定等特性成為了近年來備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。HEAs中含有五種以上不同元素，其表面原子排列方式多樣、活性位點多且復(fù)雜，因而很難有效識別HEAs中每種元素發(fā)揮的作用。建立用于電催化反應(yīng)的高性能HEAs的通用設(shè)計原則及有效鑒別每種元素發(fā)揮的作用仍然頗具挑戰(zhàn)。

有鑒于此，楊陽教授團隊合理設(shè)計出一種由鉑、鈀、鐵、鈷、鎳、錫和錳組成的七元高熵合金（PtPd HEA），其中鉑和鈀是EOR最活性的材料，而選擇豐富且價格低廉的鐵、鈷、鎳和錳作為其固溶體是因為它們易與鉑/鈀形成固溶體。在合成后，通過相對較低溫度的熱處理形成了富含活性位點的PtPd富集表面和穩(wěn)定的單相固溶體結(jié)構(gòu)，最大限度地提高了貴金屬的利用率。作者檢查并確定了每種元素在催化反應(yīng)中的功能角色，其中Pt和Pd都作為活性位點催化EOR。在PtPd HEA中，由于與其他元素的協(xié)同和電子效應(yīng)，Pd位點上的C-C鍵解離反應(yīng)能壘大大降低。與Pt（111）和Pd（111）相比，HEA中的鉑和鈀位點上CO的吸附變?nèi)?，這使得PtPd HEA具有更好的CO抗中毒能力，確保了其高活性和穩(wěn)定性。Fe、Co和Mn更容易吸附水分子，使Pt/Pd位點不會與H₂O反應(yīng)形成Pt/Pd-OH*，因此反應(yīng)通過完整的12電子途徑。由于適當(dāng)?shù)乃鸵掖嘉侥埽琋i和Sn可以顯著增強EOR的活性和動力學(xué)反應(yīng)速率。

此外，這些合理選擇的五種非貴金屬元素可以調(diào)節(jié)Pt和Pd的電子結(jié)構(gòu)，使其對EOR和ORR都有利。PtPd HEA的富PtPd（111）結(jié)構(gòu)表面使得其具有最大化的電化學(xué)活性表面積（ECSA），從而大大提高了PGMs的利用效率，優(yōu)化了EOR和ORR的活性。在0.81 V_RHE下實現(xiàn)了24.3 A mg_PGMs^-1和21.2 A cm^-2的質(zhì)量和比活性的完整12電子途徑的EOR。此外，PtPd HEA的ORR半波電位高達0.95 V_RHE，比Pt/C高約100 mV。在0.9 V_RHE下，PtPd HEA的質(zhì)量和比活性為17.7 A mg_PGMs^-1和15.5 mA cm^-2。將其組裝在DEFC中，PtPd HEA實現(xiàn)了最高0.72 W cm^-2的峰值功率密度，并可工況穩(wěn)定運行超過1200小時，達到與氫燃料電池相當(dāng)性能，遠遠超過同類其他DEFC催化劑。

這項工作將成為納米結(jié)構(gòu)合金開發(fā)可再生能源和可持續(xù)性應(yīng)用的設(shè)計原則。