Carbon-Supported High-Entropy Oxide Nanoparticles as Stable Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reactions

碳载高熵氧化物纳米颗粒作为稳定的氧还原反应电催化剂

Tangyuan Li, Yonggang Yao, Byung Hee Ko, Zhennan Huang, Qi Dong, Jinlong Gao
Wilson Chen, Jianguo Li, Shuke Li, Xizheng Wang, Reza Shahbazian-Yassar*, Feng Jiao*, Liangbing Hu*

DOI: 10.1002/adfm.202010561

PDF原文

Advanced Functional Materials

2021

论文亮点

研究背景

研究方法

我们开发了一种快速高温加热方法(≈1400K,≈1s)合成碳载高熵氧化物纳米颗粒:

主要结论

图1: 碳载高熵氧化物纳米颗粒作为稳定电催化剂

图1
图1. 碳载高熵氧化物(HEO)纳米颗粒作为稳定电催化剂

内容描述:图1a展示了传统电催化剂在长期运行中因纳米颗粒脱落和团聚而导致的性能下降问题。图1b展示了由碳载HEO纳米颗粒组成的新型稳定电催化剂家族,通过远平衡合成方法(≈1400K,≈1s)和高熵设计,提供了良好的活性和优异的结构、化学以及界面稳定性。

分析结果:这一对比图清晰地展示了传统电催化剂的局限性以及新型HEO电催化剂的优势。高熵设计和快速高温合成方法的结合解决了纳米颗粒脱落和团聚的关键问题,为开发高性能稳定电催化剂提供了新思路。

图2: 使用快速高温方法合成碳载HEO纳米颗粒

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图2. 使用我们的快速高温方法合成碳载HEO纳米颗粒

内容描述:图2a展示了使用快速高温加热过程合成碳载HEO纳米颗粒的示意图。图2b显示了合成中使用的温度曲线,具有高温和短加热时间的特点。图2c比较了传统炉加热方法和我们的快速高温方法合成的(Cu,Ni,Co,Fe,Mn)₃O₄₋ₓ的XRD图谱。图2d和2e分别展示了通过传统炉加热和我们的快速高温方法合成的(Cu,Ni,Co,Fe,Mn)₃O₄₋ₓ的TEM图像。图2f展示了通过我们的快速高温方法合成的(Cu,Ni,Co,Fe,Mn)₃O₄₋ₓ纳米颗粒的XPS光谱,展示了所有金属元素的阳离子状态。

分析结果:与传统炉加热方法相比,快速高温方法避免了氧化物还原和颗粒团聚问题,成功合成了单相尖晶石结构的HEO纳米颗粒。XPS分析证实所有阳离子元素均处于氧化态,没有金属组分,这对于电催化应用至关重要。

图3: 具有创纪录高熵的碳载10-HEO纳米颗粒

图3
图3. 具有创纪录高熵的碳载10-HEO纳米颗粒

内容描述:图3a展示了(Hf,Zr,La,V,Ce,Ti,Nd,Gd,Y,Pd)O₂₋ₓ纳米颗粒在商业碳黑基底上的TEM图像,显示均匀分散和纳米颗粒尺寸(≈7nm)。图3b展示了碳黑基底上10-HEO纳米颗粒的XRD图谱,确认了单相萤石结构。图3c展示了10-HEO纳米颗粒的XPS Pd 3d光谱,表明Pd的氧化状态。图3d展示了10-HEO纳米颗粒的元素分布图,证明了所有元素的均匀混合。

分析结果:10元素HEO纳米颗粒成功合成并均匀分散在碳黑上,具有单相萤石结构和所有阳离子金属元素的均匀混合。XPS分析证实Pd处于氧化状态,避免了碳热还原问题。元素分布图直观展示了所有10种元素的均匀分布,证明了高熵设计的成功实现。

图4: 碳黑上的10-HEO纳米颗粒作为稳定ORR电催化剂

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图4. 碳黑上的10-HEO纳米颗粒作为稳定ORR电催化剂

内容描述:图4a展示了分散在碳黑上作为ORR电催化剂的10-HEO纳米颗粒示意图。图4b展示了商业5wt% Pd/C、22wt% Pd、22wt% PdO和22wt% 10-HEO纳米颗粒分散在碳黑上的LSV曲线。图4c展示了商业Pd/C、Pd/C、PdO/C和10-HEO/C在0.85V vs RHE处按Pd质量归一化的电流密度。图4d展示了商业Pd/C和10-HEO/C的计时安培曲线(即电流保留百分比随时间的变化)。图4e和4f分别展示了计时安培测试后10-HEO/C的TEM图像和元素分布图。

分析结果:10-HEO/C电催化剂在ORR中表现出优异的活性和稳定性。与商业Pd/C相比,10-HEO/C具有更高的半波电位(0.85V)和更高的质量活性(0.49 A/mgPd)。在100小时运行后,10-HEO/C仍保持86%的初始电流,而商业Pd/C在12小时后活性损失24%。测试后的TEM和元素分布分析表明,10-HEO/C保持了均匀的纳米颗粒分散和元素分布,展示了优异的结构和界面稳定性。