哈工大AFM：低成本HEA核壳纤维稳定OER

探索高效的析氧反应(OER)电催化剂对于工业水电解非常重要，特别是在高电流密度(＞1 A cm−2)下。高熵合金(HEA)具有较高的表面OER活性和核的优异导电性，是提高催化活性的理想途径。本文提出了一种理论和实验相结合的方法来建立核-壳型FeCoNiMoAl基HEA作为有前途的OER电催化剂。理论计算结合结构分析表明，晶-非晶(c-a)壳的异质结构降低了电子传递阻力，产生了更多的活性位点，晶核提高了电导率和自支撑能力。HEA电极在2 A cm−2下的过电位(η)为470 mV，在连续测试330 h后也没有明显的退化，特别是在2.06 V下的全水解稳定性超过120 h。特殊的核壳结构实现了高OER活性和稳定性的双赢策略。这些发现为HEA电催化剂的结构设计提供了新的思路，为实现高效电催化剂用于工业水电解和相关的能量转换过程提供了一条有希望的途径。

a) c-a界面的计算模型(左)和相应的电荷差密度(右)结果，其中电荷差密度图中的黄色和蓝色区域分别表示电荷积累和耗尽。b) c-a异质结构的态密度(DOS)分析，其中费米能级附近线的连续性(EF)表示模型的电导率。c)非晶、纳米晶和c - a界面中Co的3d轨道和Ni的2p轨道的偏态密度(PDOS)。d) c-a异质结构中不同位点OER过程中各反应步骤的Gibbs自由能变化。

Fe20Co20Ni20Mo20Al20纤维的合成及结构表征a)纤维的合成路线，可分为熔体吸铸(步骤1)、熔体抽提(步骤2)和脱合金(步骤3)三个步骤。b)熔体抽提制备的纤维的数码照片，其中一次制造批次可获得约≈100g的Fe20Co20Ni20Mo20Al20纤维。c)制备纤维的SEM图像(插图为放大区域)。d) Fe20Co20Ni20Mo20Al20具有核壳结构的TEM图像，其中核壳结构的边界用蓝线表示。e)壳体的HRTEM图像(插图为相应的SAED图案)，其中用黄色虚线圈表示大小约为3-4 nm的Fe, Co, Ni和Mo氧化物的纳米晶。f)晶体核的HRTEM图像。g)样品壳体中Fe, Co, Ni, Mo, Al, O的EDS图像。

Fe20Co20Ni20Mo20Al20合金化前后的XPS和UPS光谱。a) Fe 2p XPS光谱。b) Co 2p XPS光谱，其中Co3+和Co2+的峰值呈现正位移。c) Ni 2p XPS谱图，其中Ni2+和Ni3+的峰呈负移。d) Mo三维XPS光谱。e)功函数。f)价带位置。

结果显示，功函数减小，说明脱合金后电子传递过程加快(图e)。d波段中心移至EF≈0.32 eV(图f)，表明吸附增强。综上所述，XPS和UPS结果证实，去合金后金属元素转变为高价态，吸附量得到调整，可能提高了催化活性。

a)不同样品的LSV曲线(iR校正，扫描速率为5 mV s−1)。b)电流密度与470 mV过电位的比较，其中Fe20Co20Ni20Mo20Al20纤维在相同过电位下电流密度最高。c) (a)中数据的Tafel图。d)不同OER电催化剂在1 M KOH条件下10 mA cm−2催化性能的比较。e) Fe20Co20Ni20Mo20Al20在1 m KOH电解液中10 ~ 1000 mA cm−2不同电流密度下的电位变化。f)工业级电流密度为0.5、1、2 A cm−2时，Fe20Co20Ni20Mo20Al20的计时电位曲线。g)在1 M KOH条件下，Fe20Co20Ni20Mo20Al20与Pt/C//IrO2 Ni泡沫电解槽全水解活性的比较。h) Fe20Co20Ni20Mo20Al20电解槽在0.5、1和2 A cm−2下进行约120 h的长期稳定性试验。

在这项工作中，我们报道了一种基于HEA的电催化剂，即Fe20Co20Ni20Mo20Al20，作为一种高性能的地球丰富催化剂，用于稳健的电化学制氧。在2 A cm−2的条件下取得了优异的催化性能，相当甚至优于之前报道的电催化剂。这些结果表明，除了表面上高浓度的可用催化位点外，构建能够处理大电流密度(＞1 A cm−2)的特殊结构也是必要的。构建c-a异质结构壳层，提供丰富的催化位点，加速界面电荷转移，同时，结晶HEA核提高了其导电性和自支撑能力，为提高HEA基化合物的电催化活性提供了一种新颖、通用的策略。此外，HEA基纤维的低成本和大规模合成，以及优异的催化活性和电化学耐久性，预示着HEA基纤维的工业前景。

Cost‐Effective High Entropy Core–Shell Fiber for Stable Oxygen Evolution Reaction at 2 A cm−2 - Cui - Advanced Functional Materials - Wiley Online Library

https://doi.org/10.1002/adfm.202306889