Angew综述：发展高熵合金电催化剂

纳米技术

2021-08-27

对于多元固溶体材料，比如高熵合金材料，形成大量含有多种元素的催化活性位点为发展和设计独特的新型催化剂提供了更多机会，得以突破目前现有的催化剂结构-催化剂活性之间的关系的限制。

有鉴于此，波鸿鲁尔大学Tobias Löffler等综述报道了对此类问题进行讨论，通过对目前高熵合金领域的基础性理论、关键性挑战、高熵合金材料的应用等角度存在的问题总结和讨论，提出了发展的路线，提出了此类催化剂的重要和关键表征技术，相关发展中的重点和突破，揭示了高熵合金在电催化和催化领域的广泛应用前景。

在本综述工作中，作者并没有局限在催化剂的合成路径、催化剂的催化活性及稳定性等性质。因为成功的催化剂需要调控反应物、中间体、产物的结合能。在许多高熵合金材料中能够形成单一晶相结构的复杂固溶体CCSS（single-phase compositionally complex solid solution），通过形成这种CCSS相，材料中所有的元素都得以稳定并且实现均匀分散，材料表面上形成多元素组成的催化活性位点。

本文要点：

（1）

目前合成的高熵合金催化剂能够与相关高性能电催化剂的性质相比拟，作者进一步的对如何系统性的进行催化剂设计进行介绍，因为这种过程在理论上能够得到大量组成和比例的高熵合金催化剂。

因为催化活性位点上反应物分子的结合能与周围原子相互作用有关，这种区别现象与其他类型催化剂明显优势。因此，作者对这种高熵合金材料形成的独特CCSS结构进行总结，为系统性的合成此类CCSS结构高熵合金提供经验。

（2）

相关基本概念。调控合金化过程的结合能、合成和稳定CCSS晶相、催化剂的结构-催化活性关系、催化反应选择性和多功能。

（3）

未来的挑战。催化剂表面不同元素组成导致的异质性、各种各样的电子相互作用、应力相互作用、可能发生部分氧化等特点导致CCSS催化剂的表面结构非常复杂，这种催化剂的准确表面结构可能受到多种因素的影响，包括元素和组成、晶体和微结构、3D结构、形貌等。为了系统性的控制此类控制因素，作者对其中各个因素之间的关系进行讨论。

此外，虽然高熵合金的机械力学研究延续了多年，但是此类材料在电催化领域的应用和研究才刚开始，其中面临解决的问题包括：通过理解原子之间的相互作用才能够改善和设计更好的催化剂；理解结合能分布模式BEDP（binding energy distribution pattern）与高熵合金组成比例之间的关系，结合能的能量变化；理解单一CCSS晶相的组成与组成元素之间的关系、提高比表面积等；理解高熵合金的稳定性、调控化学稳定性和机械力学稳定性；理解晶体结构、大小、形貌等对催化活性、催化反应选择性、催化剂稳定性的影响；发展高熵合金材料的可能比例数据库，囊括计算模拟数据和相关实验数据；发展高通量方法筛选可能的高熵合金催化剂；发展新型高熵合金材料的合成方法，能够通过调控合成参数实现调控电催化活性，能够实现工业量级；发展可以克服标度关系的材料设计概念；探索和优化性能最好的电催化剂等。为了解决这些问题，通过理论预测、高通量计算/实验、机器学习方法等结合，用于进一步提高筛选新型高熵合金催化剂组成的效率。

参考文献

Tobias Löffler*, Alfred Ludwig, Jan Rossmeisl, Wolfgang Schuhmann, What makes high-entropy alloys exceptional electrocatalysts?, Angew. Chem. Int. Ed. 2021

DOI: 10.1002/anie.202109212

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202109212