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Adv. Sci.:催化剂表面结构自重构实现长期稳定的析氢/析氧反应

众所周知,电催化是发生在电催化剂表面与各种电解质之间的界面上的过程。在过去的几十年里,绝大多数的研究工作都致力于合成新的和经济有效的催化材料,以追求高的催化性能。然而,电催化剂的基本特性——稳定性,至今尚未得到深入的研究和认识,而较差的稳定性大大限制了电催化的实际应用。例如,涉及两个半反应的全水解,即阴极上的析氢反应(HER)和阳极上的析氧反应(OER),由于外加电位和恶劣环境的影响,发生在两个电极上的反应需要催化剂具有优异的稳定性。然而,由于缺乏研究,电解池中电化学反应过程中电极保持在稳定状态的基本催化机制仍然不清楚。

基于此,北京科技大学张博威和吴俊升、中国科学院金属研究所Chen Chunjin、南洋理工大学黄一中(共同通讯)等人主要研究了FeCoNiRu高熵合金(HEA)的稳定性与其催化效率的关系,重要的是该催化剂不仅能够高效地同时进行HER和OER,而且对HER和OER还具有长期稳定性。

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本文的电化学测试结果表明,FeCoNiRu-450具有与商业Pt/C相当的最佳HER催化活性,FeCoNiRu-450仅需要40 mV的过电位就能达到10 mA cm-2的电流密度,小于FeCoNiRu-350(122 mV)、FeCoNiRu-400(61 mV)、FeCoNiRu-500(117 mV)和商业RuO2(87 mV),同时FeCoNiRu-450的电催化HER性能也优于最近报道的HEAs和贵金属电催化剂。

此外,对于实际应用而言,电催化剂的长期稳定性被认为比催化活性更重要。在反应条件下,通过计时电流法测试评估了FeCoNiRu-450电催化剂的稳定性,正如预料的那样,FeCoNiRu-450具有优异的稳定性。同时,本文还对制备的电催化剂的OER性能进行了测试。线性扫描伏安(LSV)曲线表明,与FeCoNiRu-350(304 mV)、FeCoNiRu-400(269 mV)、FeCoNiRu-500(276 mV)、商业RuO2(258 mV)和商业Pt/C(346 mV)相比,FeCoNiRu-450具有最佳的OER性能,达到10 mA cm-2的电流密度所需的过电位值最小,仅为243 mV,FeCoNiRu-450的电催化OER性能同样优于近期报道的HEAs和贵金属基催化剂。

值得注意的是,计时电流法测试表明FeCoNiRu-450也具有优异的OER稳定性。结合FeCoNiRu-450优异的HER和OER性能,本文在1 M KOH中,将FeCoNiRu-450同时作为阴极和阳极进行了全水解性能测试。测试结果表明,FeCoNiRu-450的全水解性能(1.563 V@10 mA cm-2)要优于由商业贵金属形成的双电极体系(1.565 V@10 mA cm-2),此外,FeCoNiRu-450还显示出优异的全水解稳定性,以上结果充分证明了FeCoNiRu-450的应用潜力。

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综上所述,本研究成功制备了FeCoNiR高熵合金电催化剂,并通过测试证明其对全水解的两个半反应具有较高的催化效率和良好的长期稳定性。结果表明,分散在催化剂表面的本征中空活性位点对HER和OER的高性能有重要贡献。然而,当受到外部电位/电流的作用时,尖晶石结构中保留的相同的中空活性中心从高熵合金电催化剂中保留下来,它们对H+和OH-敏感并促进了相应的HER和OER这也揭示了催化剂在长期的稳定性测试后仍然保持较高的催化活性的原因。

此外,Ru在催化剂中的调节作用导致了表面晶格的变形和缺陷,也加快了催化剂HER和OER的速率。结合以上结果可以得知,这项工作为电催化剂在HER和OER的反应条件下的表面重构提供了新的见解,并为评价催化剂的催化效率-稳定性关系提供基准。

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Self-reconstructed spinel surface structure enabling the long-term stable hydrogen evolution reaction/oxygen evolution reaction efficiency of FeCoNiRu high-entropy alloyed electrocatalyst, Advanced Science2023, DOI: 10.1002/advs.202300094.

https://doi.org/10.1002/advs.202300094.



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