南方科技大学徐强团队Nano Research：MOF介导合成纳米高熵合金用于可充电锌-空气电池

第一作者：谢明款

通讯作者：肖欣*，徐强*

单位：南方科技大学

      可充电锌-空气电池具有安全性高、零碳排放、理论能量密度高（1086 Wh kg-1）等优点，被认为是最有前景的电化学能量存储和转换设备之一。在诸多电极材料中，HEA作为一种由至少五种以接近等原子摩尔百分比混合的单一固溶体合金，与纯金属或者一般合金相比，具有独特的高熵效应、晶格畸变效应和迟滞扩散效应，在电催化领域显示出巨大的应用前景。Pt由于具有较高的电负性（2.28），可接受其他过渡金属元素的电子。因此，利用高熵合金策略可以将Pt与其他四种及以上的地球储量丰富的过渡金属元素进行合金化，从而制备出能对氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）具有优异催化能力的双功能催化剂。一般而言，过渡金属元素Fe、Co和Ni具有近乎相同的电负性（Fe（1.83）、Co（1.88）、Ni（1.91））和原子半径（Fe（1.17 Å）、Ni（1.16 Å）、Co（1.15 Å）），经常被引入形成Pt基纳米HEA。此外，氮掺杂碳材料因与金属纳米颗粒有较强的亲和力且自身具有优异的导电性，其作为载体被广泛应用于提高电催化剂的催化活性和稳定性。

南方科技大学的徐强教授和肖欣研究助理教授在国际知名期刊Nano Research上发表题为“MOF-mediated synthesis of novel PtFeCoNiMn high-entropy nano-alloy as bifunctional oxygen electrocatalyst”的研究论文。该论文提出利用MOF介导合成PtFeCoNiMn纳米高熵合金氧电催化剂的方法，所制备的高熵合金催化剂在可充电锌-空气电池中具有良好的性能。

【本文要点】

要点一：引入Mn提高合金主元催化活性

选择引入电负性较大的Mn来优化合金中Pt的电子结构。得益于成分优选带来的电子结构的优化和合金主元间固有的鸡尾酒效应，所合成的 PtFeCoNiMn/NC对ORR/OER具有优异的双功能催化性能。

要点二：MOF衍生的氮掺杂碳基底提升了高熵合金的稳定性

由ZIF-8衍生的氮掺杂碳基底因具有三维结构、高比表面积、固有氮源、优异的导电性且与纳米高熵合金有较强的亲和力的特点，作为PtFeCoNiMn纳米高熵合金的负载载体，避免了纳米高熵合金的团聚，使得纳米高熵合金颗粒均匀分布，同时提高了其电化学稳定性。

要点三：高熵合金具有优异的双功能电催化活性

PtFeCoNiMn/NC催化剂表现出最优的双功能电催化活性，具有较正的ORR半波电位（0.863 V vs. RHE）和较低的OER过电位（357 mV @ 10 mA cm-2），且在碱性介质中具有很强的稳定性。将PtFeCoNiMn/NC作为阴极催化剂组装的准固态锌-空气电池显示出192.16 mW cm-2的高功率密度、低充-放电电压极化，在5 mA cm-2的充-放电电流密度下具有95 h的长循环寿命。纳米HEA电子结构的优化和固有的鸡尾酒效应是促成PtFeCoNiMn/NC具备优异催化性能的关键。本工作制备的PtFeCoNiMn/NC催化剂有望应用于能量存储和转换系统中。