北京大学工学院材料科学与工程系夏定国教授

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为了满足催化剂在实际应用中的需要，已经在精准控制催化剂组成、结构和形貌方面取得了显著的研究进展，尤其以一些新型的材料备受关注，包括高熵合金（HEA）、金属间化合物和具有高活性晶面的各向异性纳米晶等。尽管多组分HEA已经被广泛研究，但是目前已报道的HEA大多是无序固溶体。然而，结构有序的高熵金属间化合物（HEI）具有更显著的物理化学性质，但由于合成过程需要高温退火来克服高的无序-有序化相变能垒，因此不可避免地导致块状结构或相分离现象。因此，迫切需要进一步考察HEI在能源相关领域中的应用。此外，构建活性晶面也是提高催化剂活性的关键，但是探索催化剂中更有效的高活性晶面仍存在重大挑战，而将HEI的低指数面转化为高活性晶面也是非常有意义的。

      鉴于此，北京大学夏定国教授等人报道了一种具有超高活性晶面的结构有序的PtIrFeCoCu HEI（PIFCC-HEI）纳米颗粒，并实现了卓越的ORR催化性能，可以作为高效的氢氧燃料电池阴极催化剂。这项工作不仅为催化剂中高活性晶面的构筑开辟了一条新思路，而且强调了结构有序的HEI纳米颗粒在实际燃料电池和其他能源相关应用中的重要地位。
       本文要点：
       1) 采用简单的化学共还原和后续热处理方法，直接在碳载体上构建了结构有序的PIFCC-HEI纳米粒子，其在碳载体上均匀分布，平均直径为6 nm，一系列物理表征均证实了该纳米颗粒为结构有序的高熵金属间化合物结构；
        2) 在0.1 M HClO4电解质中，所制备的PIFCC-HEI的ORR半波电位为0.894 V，在0.9 V电位下的比活性达到4.06 mA cm-2，质量活性达1.29 A mgnoble metal-1，优于无序高熵合金和商业Pt/C催化剂。在连续循环60000圈以后，PIFCC-HEI的半波电位仅衰减9 mV，具有优异的稳定性；
       3) 将PIFCC-HEI作为阴极催化剂组装燃料电池膜电极，在1.0 bar的条件下可以达到1.73 W cm-2的峰值功率密度，在0.4 V的电位下可以提供4.25 A cm-2的电流密度，并可以在1 A cm-2的电流密度下稳定地运行80 h，优于用商业Pt/C组装的膜电极；
       4) 理论计算和实验结果证实了PIFCC-HEI的优异ORR和燃料电池性能主要归因于其超高的活性晶面，特别是(001)面为ORR提供了最低的激活势垒、最佳的d带中心和电子结构，从而通过构建有序HEIs实现了传统低活性晶面到高活性晶面的转变。
      Guang Feng, et al., Engineering structurally ordered high-entropy intermetallic nanoparticles with high-activity facets for oxygen reduction in practical fuel cells. J. Am. Chem. Soc., doi: 10.1021/jacs.3c00868.