《ACS Nano》：高畸变高熵合金气凝胶增强氢氧化反应
Highly Distorted High-Entropy Alloy Aerogels for High-Efficiency Hydrogen Oxidation Reaction
Hanjun Li, Fulin Yang*, Guanghua Wang*, Liheng Guan, Feili Lai, Nan Zhang*, Tianxi Liu*
ACS Nano 2025, DOI: 10.1021/acsnano.5c02198
碱性质子交换膜燃料电池（AEMFC），是一种可直接将氢气的化学能转化为电能的清洁电力能源，具有能量转化效率高、零排放、运行噪声小、原料来源广泛等优点，在燃料电池汽车的商业应用中得到了快速发展。而AEMFC的整体性能和成本主要取决于燃料反应的阴极和阳极催化剂。其中，氢氧化反应（HOR）是AEMFC的阳极反应，是一个非常重要的电化学过程。铂-钌（Pt-Ru）基材料因其对H*和*OH的强亲和力，是一类优异的HOR催化材料。然而，精确调控PtRu的电子性质以平衡对H*和*OH的吸附能力仍然是一个巨大的挑战。
晶格畸变通过提供大量不饱和活性位点和增加表面能来增强催化反应，从而大大改善电催化中关键中间体的吸附和活化。高熵合金将多种不同尺寸的元素合金化到一个共同的晶格中会导致晶格扭曲，使组成原子偏离其理想位置，从而产生晶格畸变效应。金属气凝胶（MAs）交联点处的互连框架将提供丰富的台阶表面和晶格应变区域。高熵合金气凝胶（HEAAs）结合了高熵合金和MAs的结构特征，是一种具有多重晶格畸变的高效催化材料，有望通过多重畸变增加不饱和位点提升催化性能，但设计和开发高效稳定的PtRu基HEAAs仍是挑战。
基于此，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授团队首次开发了具有高晶格畸变密度的PtRu基HEAAs，实现了PtRu基MAs二元到七元的普适性制备，获得了PtRu MAs、PtRuRh MAs、PtRuPd MAs、PtRuIr MAs，PtRuRhPd MAs、PtRuRhPdIr HEAAs、PtRuRhPdIrAu HEAAs、PtRuRhPdIrAuAg HEAAs等八种新材料，进一步揭示了HEAAs中不同元素对增强HOR性能的重要作用。其中，PtRuRhPdIr HEAAs/C展现出优异的HOR活性：在50 mV时，质量活性和面积活性高达5.75 A mgPGM-1和0.69 mA cm-2，分别是商业Pt/C的16.9和4.1倍。此外，在AEMFC中，PtRuRhPdIr HEAAs的功率密度达到0.73 W cm-2，且在500 mA cm-2的大电流密度下下持续运行6小时仅衰减5.9%。机理研究表明，PtRuRhPdIr HEAAs的高畸变结构提供了丰富的不饱和活性位点，其多元金属协同效应平衡了HOR过程种*H与*OH的吸附。其中，Pt和Ru对H*的吸附起着关键作用，Rh、Pd和Ir元素的引入协同优化了Pt和Ru的电子结构，优化了反应能垒，从而显著提升HOR性能。
本论文第一作者为江南大学化工学院博士研究生李晗君，通讯作者为江南大学刘天西教授、张楠副教授，昆明理工大学讲师杨甫林以及厦门大学王光华博士。
论文连接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02198
