原子级可控高熵合金登上最新Nat. Commun.

一、【导读】

各种合金的原子级表面设计是提高表面催化性能的关键，而表面催化性能对新型电催化材料的开发至关重要，因为从组成元素的种类及其成分来看，合金表面的结构更为复杂。高熵合金（HEAs）通常由五种以上的元素组成，由于其独特的热力学和化学特性而引起了广泛关注。迄今为止，高熵合金在各类电催化方面的应用研究已有报道，然而只有少数研究报告阐明了HEAs电催化的催化和表面原子级结构关系。全面了解表面原子级结构与催化性能之间的关系对于促进新型催化剂的开发至关重要。材料信息学（MI）在预测此类复杂的多组分合金的催化特性方面具有强大的作用，但对于实际的新型催化剂开发而言，计算HEAs系统所需的机器时间、计算条件以及可靠的数据集仍然不足。因此，基于HEAs表面原子级特征的系统性基础实验研究至关重要。

 二、【成果掠影】

近日，日本东北大学环境研究院Yoshihiro Chida团队提出了一个实验研究平台，可以在真空中合成原子级可控的单晶高熵合金表面，并评估其催化性能。该平台提供了对电催化的微观结构基础至关重要的基本信息，即多组分合金表面微结构与其催化特性之间的详细关系。在低指数单晶Pt基衬底（Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt(hkl)）上合成了纳米厚的Pt和等原子比Cr-Mn-Fe-Co-Ni外延堆垛层，即所谓的Cantor合金，作为氧还原反应（ORR）电催化的Pt基单晶合金表面模型。与Pt-Co二元表面相比，高熵合金表面具有更优异的氧还原反应性能，从而证明了该平台的实用性。该研究以题为“Experimental study platform for electrocatalysis of atomic-level controlled high-entropy alloy surfaces”发表在知名期刊Nature Communications上。

三、【核心创新点】

开发了可在真空中合成原子级可控的单晶高熵合金表面，并评估其催化性能得实验平台，可用于揭示多组分合金表面微结构与其催化特性之间的详细关系。

四、【数据概览】

图1  HEA电催化模型表面实验研究平台示意图 © 2023 The Authors

元素的调节、相应APD靶的混合比，以及来自多个APD靶或两者的组合或同时沉积，使得HEA沉积能够与设计的组合物完全混合。

图2  Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt(hkl)的结构表征 © 2023 The Authors

合成的Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt (111)，(110)和(100)的横截面HAADF-STEM以及彩色EDS图像。

图3  Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt（hkl）在PC负载下的CV曲线和ORR活性 © 2023 The Authors

新制的Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt (111)，(110)和(100)和其降阶态在0.05-1.0 V的CV曲线。

图4  Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt(hkl)在PC负载下的表面降解 © 2023 The Authors

（a）、（d）和（g）中黄色框标记的区域的相对低放大率（第一列）和原子分辨高放大率的横截面HAADF-STEM图像（第二列），其中（111）、（110）、（100）和（211）的表面域分别用橙色、蓝色、红色和绿色突出显示。

（第三列）Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt（111）、（110）和（100）的合成（1，淡蓝色）和5000PC负载（2，淡红色）样品在表面法线方向上的Pt的EDS强度-深度分布。

 五、【成果启示】

研究人员开发了一个实验性电催化研究平台，该平台能够合成定义明确的单晶HEA模型催化剂表面，并通过对表面进行原子级评估来研究Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni HEAs系统的典型电催化。在成功地在真空中合成了控制良好的 Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni 单晶表面后，对电化学评估前后的表面进行的详细微观结构分析表明，可以追溯到影响ORR性能的原子级微观结构因素。特别地，Cr-Mn-Fe-Co-Ni HEA层的元素分布决定了ORR特性，尤其是富Pt表面层的电化学结构稳定性。此外，研究还发现，Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt（hkl）六元合金表面的PC负载产生了由富含铂的表面和其下富Pt表面和下层Cr-Mn-Fe-Co-Ni富层组成的“伪核壳状结构”。本研究验证了实验研究平台的有效性，该平台可用于阐明在任何组成元素和比例下HEAs的原子级表面微观结构与电催化性能之间的精确相关性。利用该平台可以弥合MI提供的科学计算预测与纳米HEA催化剂实际催化性能之间的差距，提供可靠的数据集。这一强大的实验平台不仅适用于电催化，还适用于HEA功能纳米材料的其他领域。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40246-5

本文由赛恩斯供稿。