文章名稱：Experimental study platform for electrocatalysis of atomic-level controlled high-entropy alloy surfaces
期刊和影響因子：Nature Communications IF=17.7
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40246-5
研究背景：
高熵合金由于出色的熱動力學(xué)和化學(xué)性能，使其在電催化領(lǐng)域受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。制備原子級可控合金對于提高表面催化性能和設(shè)計新型催化劑至關(guān)重要。盡管已有的研究對合金組分，元素構(gòu)成和原子分布等問題對催化性能的影響做了相關(guān)的研究，然而對于Pt基合金在催化前和催化后合金表面原子結(jié)構(gòu)變化的原子級透射電鏡表征相關(guān)工作尚顯不足。對于合金表面原子的排布和在空位處合金成分的表征尚屬空白。
2023年7月，日本東北大學(xué)課題組利用Advance Riko公司的電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD制備了原子級可控的高熵合金，研究了電催化對合金表面原子的影響。得益于APD系統(tǒng)可多靶位同時進(jìn)行精準(zhǔn)等離子濺射的功能，課題組實(shí)現(xiàn)了同一種高熵合金不同晶向結(jié)構(gòu)的制備，對多組分合金表面微觀結(jié)構(gòu)與其催化性能之間的詳細(xì)關(guān)系進(jìn)行了深入研究。同時，APD系統(tǒng)的真空傳輸配件避免了制備樣品在傳遞過程中受到空氣的影響。相關(guān)研究結(jié)果以《Experimental study platform for electrocatalysis of atomic-level controlled high-entropy alloy surfaces 》為題，在SCI期刊Nature Communications上發(fā)表。
文中使用的電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD可以在 1.5 nm 到 6 nm 范圍內(nèi)精確控制納米顆粒的直徑，具有活性好，產(chǎn)量高等優(yōu)勢。只要靶材是導(dǎo)電材料，系統(tǒng)就可以將其等離子體化。金屬/半導(dǎo)體制備同時控制腔體氣氛，可以產(chǎn)生氧化物和氮化物薄膜。高能量等離子體可以沉積碳和相關(guān)單質(zhì)體如非晶碳，納米鉆石，碳納米管等形成新的納米顆粒催化劑。
電弧等離子體沉積系統(tǒng)-APD
圖文導(dǎo)讀：
圖1. 利用Advance Riko公司的APD系統(tǒng)為電催化研究所準(zhǔn)備的不同高熵合金示意圖。為了實(shí)現(xiàn)制備不同高熵合金成分的需求，APD系統(tǒng)可以濺射合金靶材或者同時濺射多個靶材來實(shí)現(xiàn)。通過XPS的研究表明，通過APD系統(tǒng)所制備的高熵合金表面成分高度可控。
圖2. 通過上述方法制備的Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt合金不同晶向的表征結(jié)果。(a, c, e)為樣品橫截面的通過STEM獲得的HAADF表征結(jié)果。(b, d, f)為對應(yīng)樣品的EDS Mapping結(jié)果。
圖3. APD系統(tǒng)所制備的Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt合金的循環(huán)伏安曲線(CV)和氧化還原反應(yīng)(ORR)在電位循環(huán)中的變化。(a, c, e)為在0.05V-1.0V 的范圍內(nèi)CV曲線隨可逆氫電極電位的變化關(guān)系。(b, d, f)為Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt的ORR隨著電位循環(huán)的變化，循環(huán)電壓為0.6V-1V。
圖4. APD系統(tǒng)所制備的Pt/Cr-Mn-Fe-Co-Ni/Pt合金在電位循環(huán)后的退化情況。(a, d, g)分別為合金樣品的(111)，(110)和(100)方向的低倍HAADF表征結(jié)果。(b, e, h)分別為(a, d, g)中所對應(yīng)的黃色方框區(qū)域的高分辨HAADF圖像。(c, f, i)分別為在電位循環(huán)前和經(jīng)過5000次循環(huán)后所對應(yīng)的(b, e, h)區(qū)域的EDS結(jié)果的對比圖。
文章結(jié)論：
日本東北大學(xué)課題組使用APD系統(tǒng)制備了原子級可控的Pt高熵合金，通過高分辨透射電鏡表征，從原子級的尺度上研究了電催化對合金表面的影響。通過與Pt-Co二元表面相比，高熵合金表面的氧還原反應(yīng)性能優(yōu)于 Pt-Co 二元表面，證明了該平臺的有用性。該研究tian補(bǔ)了高熵合金用于電催化領(lǐng)域原子級機(jī)理上的空白，為該領(lǐng)域的研究提供了理論基礎(chǔ)！
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