高熵合金催化剂的设计、调控及析氧反应性能研究

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高熵合金(High-entropy Alloy,HEA)是一种至少由4种主元素组成的新型合金材料,其高熵构型,缺陷丰富,协同性强等特征赋予了其比传统合金具有优异的物理化学性质。本文通过简单冶金方法制备出了一系列块体过渡金属基HEA并研究其析氧反应(OER)催化性能。本论文内容主要分为以下三个部分:1、首先采用第一性原理方法预测过渡金属基的Fe Co Ni Cu Cr HEA催化剂的OER过电势,理论预测表明,5元Fe Co Ni Cu Cr HEAs在碱性溶液中的理论过电位为425m V,表明该HEA具有良好的催化潜能。然后在理论预测结果的基础上,通过简单的冶金铸造方法制备出HEA块体Fe Co Ni Cu Cr与Fe Co Ni Cu Cr Al并以碳布为基底通过磁控溅射形成HEA薄膜,以探索4种样品OER的催化性能。结果发现,6元Fe Co Ni Cu Cr Al HEA薄膜催化性能最佳,表现为在1 M KOH溶液中在电流密度为10m A cm-2时可达到270 m V过电位与46 m V dec-1塔菲尔斜率以及长达50小时的长期稳定性等良好的催化性质。这一研究体现了理论指导实验的意义,为设计具有优良催化性能的HEA提供了思路。2、采用简单电弧冶炼技术结合氧微合金化方法制备出7种体系35种氧化物微畴中HEA块体电极,并对所制备的HEAs样品的物相结构、微观组织以及表面电子态进行表征与分析。通过XRD表征确定了这些HEA物相结构;SEM与TEM图像展示了HEA电极内部的氧化物微畴结构与组分以及氧化物微畴与基体的分界面。尤其是确定了HEAs基体中存在的黑色颗粒的成分主要是Cr2O3。Cr2O3形成从两个方面进行推测,一方面这主要是由于在制备样品时,微合金化的(Co3O4)和Cr在高温下发生置换反应。另一方面,由于Cr的电负性比Fe、Co、Ni小,所以Cr比其他元素更具有亲氧性。此外,通过XPS对催化前的铸态HEA进行电子态分析,发现4元HEA体系金属结合能整体比3元、5元体系高,表明4元HEA具有较高的势能与较低的势垒,发生催化反应相对较容易。这对后续探讨氧化物微畴对催化性能的影响提供了直接的线索与证据。3、利用氧结合HEA原子水平的设计获得了一系列氧化物微畴一体化电极以探索其OER催化活性。实验发现,(Cr Fe Co Ni)97O3在电流密度为10 m A cm-2时过电势达到196 m V,Tafel斜率达到29 m V dec-1,且稳定性超过120小时,优于目前报道的块体OER材料的催化性能。研究发现,Cr2O3微畴是提高OER催化活性的关键。i)固溶体中Cr2O3微畴形成改变了HEA基体的局部配位环境;ii)Cr离子浸出促进了电催化过程中的有效电荷转移;iii)Cr离子浸出引起了界面重构与非晶化。氧微掺杂HEA形成氧化物微畴的方法可以极大提高电极OER催化性能。本论文通过理论预测、氧微合金化等手段来预测、调控、提升HEAOER催化性能,开发并制备出一系列具有与贵金属催化剂相媲美的HEAs催化剂。这些调控手段对设计具有高活性、高稳定性、高导电性符合工业化应用的催化剂提供了新的思路与方向。
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