温珍海/陈俊翔/张钰Angew.：非金属高熵工程纳米碳用于ORR电催化

研究内容

高熵材料因其设计灵活性、独特的性能和广泛的适用性，有望彻底改变材料科学和工业应用。

中国科学院福建物质结构研究所温珍海/陈俊翔/张钰提出了一种概念验证的高熵工程纳米碳（HENC），与五种非金属元素（B、F、P、S和N）共掺杂，通过原位聚合改性ZIF-8然后热解合成。HENC作为氧还原反应（ORR）的非金属电催化剂表现出优异的性能，活性与基准Pt/C电催化剂相当，循环稳定性优异。HENC已被验证为锌空气电池中的阴极催化剂，实现了令人印象深刻的604 mW cm-2的峰值功率密度，并在16天内表现出长期稳定性，超过了商用Pt/C催化剂（542 mW cm-2）。相关工作以“Nonmetallic High-Entropy Engineered Nanocarbons for Advanced ORR Electrocatalysis”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1. 作者提出了一种概念验证的高熵掺杂碳，其特征是掺杂了五种非金属元素，会提高ORR电催化的催化活性和稳定性。一方面，多种杂原子的存在不仅可以灵活地调节碳基质的电子结构，可以产生更多的活性位点，从而改善与O2分子的相互作用和更有效的ORR过程。另一方面，高熵掺杂会在原子水平上引入一定程度的复杂性和无序性，在某种程度上有利于稳定催化剂结构，防止在操作过程中结块和降解。

要点2. 作者通过使用ZIF-8的原位聚合方法，然后热解，成功合成了与B、F、P、S和N共掺杂的高熵工程纳米碳（HENC）。开发的HENC具有相当的电催化活性，但相对于商业Pt/C具有更高的稳定性，并且优于传统的掺杂碳催化剂。HENC已被验证为锌空气电池中的阴极催化剂，实现了令人印象深刻的604 mW cm-2的峰值功率密度，并在16天内表现出长期稳定性，超过了商用Pt/C催化剂（542 mW cm-2）。

要点3. 模拟和全位点计算表明，丰富的杂原子和增加的系统熵的协同效应促进了*O2物种的形成，N、P和S是关键的活性元素，而与B和F的共掺杂进一步提高了稳定性。

这项工作不仅丰富了高熵的概念，推进了对高熵材料的理解，也为开发高性能低成本催化剂开辟了新的途径。

研究图文

图2.ORR的电催化性能。

图3.（a）基于HENC和Pt/C催化剂的ZABs的开路电压曲线。插图是ZABs的示意图和使用万用表测量基于HENC的ZABs开路电压的数字图像。（b）HENC和Pt/C基ZABs的极化和功率密度曲线。（c）HENC和Pt/C基电池在不同电流密度下的放电试验。（d）基于HENC的ZABs在20 mA cm-2电流密度下的长期恒定放电。插图：基于HENC的ZABs与先前报道的最先进阴极催化剂的峰值功率密度性能的比较。

图4.（a）模拟兴奋剂和进行全场计算的工作流程。（b）计算出的塔菲尔坡度，由所有场地的总和计算得出。（c）优化后的结构和全场计算的相关结果。（d）δEv的分布。红色虚线是从最小δEv（最活跃位点）到最大δEv的总和值。（e） ΔGO的分布。（f）最活跃位点的ΔGO。插入物是两组杆的径向分布函数。示意图代表性结构放在一边。（g）碳的第一壳配位比。（h） 碳层剥离的动态结构图，来源于MD模拟。

文献详情

Nonmetallic High-Entropy Engineered Nanocarbons for Advanced ORR Electrocatalysis

Huibing Wang, Kai Chen, Zhiwen Lu, Shengjian Lin, Yalong Yuan, Xi Liu, Yu Zhang*, Junxiang Chen*, Zhenhai Wen*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202501290

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