关于高熵合金纳米线作为高稳定的电催化剂应用于锌-空气电池中的研究

来源：ACS美国化学会

水分解析氢 (HER) 析氧 (OER)以及可循环充放电的金属空气电池的应用很大程度上取决于高效电催化剂的可用性。贵金属元素是许多高性能多相催化过程的关键，然而，如何在保持甚至提高预期的催化性能的同时减少这种资源稀缺和价格令人望而却步的材料的使用一直是一个巨大的挑战。其中，以钌(Ru)为基础的催化材料由于它在HER和OER中突出的催化活性，以及用途广泛和价格低廉等优点，成为了近些年科研人员研究的重点。

近日，哈尔滨工业大学(深圳)材料基因与大数据团队的邱华军及合作者报道了一种普适性的去合金化策略，成功制备出一系列预先设计好组成的高熵合金纳米线，微观示意图如图1所示，纳米线的主体由面心立方合金构成，表面覆盖一层尖晶石氧化物，可以作为一种具有三功能催化性的电化学催化剂用于析氢反应、析氧反应以及氧还原反应中。除此之外，还组装了金属空气电池用于实际电池装置的测试，在电池中表现出了很高的电化学循环稳定性，以及较大的开路电压、功率密度以及能量密度，与类似文献相对比，性能非常突出。因此该方法在增强材料的催化性能的同时，还显著降低了材料中贵金属Ru的含量。

图1. 高熵合金纳米线微观结构及组成

该课题组采用一种简单的去合金化的方法，合成了一系列高熵合金催化剂，具体来说，将金属镍、钴和钌熔融成为一种金属单一固溶相，然后等原子比加入第四种金属X，最后加入大量的铝，得到一种富铝前体合金Al96−Ni1−Co1−Ru1−X1，然后用碱性溶液处理去除绝大部分的铝，产生了纳米级的高熵合金/高熵氧化物。在去合金化过程中，随着纯铝相的去除，自发形成了表面为多组分尖晶石氧化物的合金纳米线，如图2所示。

图2. 高熵合金/高熵合金氧化物纳米线

在电化学测试中，这种五元高熵合金表现出了出色的电催化性能，其中最为突出的样品组分为AlNiCoRuMo，这种材料不管是在碱里的HER，OER或者ORR测试，都有着不错的性能表现，如图3，4所示。

图3. AlNiCoRuMo-HEA/HEO电催化性能测试

当这种材料被用作双功能空气电极时，刻蚀的AlNiCoRuMo-HEA/HEO纳米线表现出出色的性能，其放电/充电循环耐久性超过500小时(测试中更新了Zn和电解液)，并适用于大电流和深度放电/充电，功率密度以及能量密度等均优于商用Pt/C−IrO2催化剂组成的电池和大多数文献报道的结果，如图4所示。研究结构表明设计的多组分AlNiCoRuMo系统可以克服二元或者三元体系的不稳定性，其电催化活性和耐用性大大提高，贵金属钌含量显著降低，具有很大的实用价值。