中科大宋礼教授课题组，最新Joule！

图1. 高熵金属硒化物中的多种不对称活性单元增强水氧化性能

近期，中科大宋礼教授联合中科院赣江创新研究院陈庆军课题组借助焦耳加热的方法巧妙的设计了一类具有多种不对称活性单元的高熵金属硒化物（HEMS），有效地克服了多种金属元素之间的互不混溶特性。结合同步辐射吸收光谱、Operando红外光谱以及DFT计算验证了高熵金属硒化物中的不对称活性单元激活水氧化反应的机制。

相关研究结果以“Asymmetric active sites originate from high entropy metal selenides by joule heating to boost electrocatalytic water oxidation”为题发表于期刊Joule上。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.06.004

研究背景

高熵材料（HEMs）作为析氧反应（OER）催化剂，在电催化水氧化反应中展示出巨大的潜力，这得益于它们多活性中心和非凡的结构耐久性。然而，由于高熵纳米催化剂中多种金属元素的互不混溶特性以及复杂的原子构型和具有相似电子结构的元素存在导致其在精准合成以及真实活性位点鉴别方面存在巨大的挑战，这严重阻碍了进一步将HEMs作为OER催化剂的全面探索和精细设计的进程。基于此，宋礼教授课题组长期开展同步辐射技术及应用研究，积极发展多谱学联用手段（SR-FTIR光谱、SRPES深度探测和Δ-XAFS分析等）用于监测高熵催化剂在实际服役过程中的真实状态，旨在为理性设计高效耐久的高熵催化剂提供理论依据和实验支持。

图文解析

图2. 高熵纳米催化剂的合成以及微观结构表征。

图3. 高熵金属硒化物的同步辐射X射线吸收光谱。

图4. 碱性OER三电极及电解槽性能评估。

图5. HEMS的OER稳定性机制研究。

图6. 高熵纳米催化剂在OER过程的原位以及准原位表征。

图7. OER过程的理论计算分析。

为了进一步鉴定HEMS中的真实活性位点以及多元素混合引起的协同效应对催化活性的促进作用，我们对HEMS和CoSe催化剂的不同金属活性位点进行了DFT计算。如图7A所示，在CoSe中，Co-Co-Co位点在引入高熵原子后遭受了不同程度的畸变。这种现象表明活性位点之间的电子重新分布。

总结与展望

该研究利用焦耳加热的方法通过一步法制备了一系列具有单一相结构的高熵金属硒化物纳米催化剂。HEMS催化剂在2.4V下达到了1.5A·cm^-2的高电流密度，并在0.5A·cm^-2的电流密度60 ℃下在AEMWE中运行了100小时。多种（准）原位技术以及密度泛函理论DFT计算表明，通过优化高熵纳米催化剂中不对称活性单元的键长可以调节催化剂与反应中间体之间的相互作用，进而优化OER性能。该研究发现拓宽了提高OER催化活性和AEMWEs实用性能的途径，而新的原位方法应用则为解决能源催化反应领域相关问题提供了多种可能性。

通讯作者简介

宋礼，教授，博士生导师，2006年博士毕业于中科院物理研究所，随后在德国慕尼黑大学、美国莱斯大学和日本信州大学开展研究工作，历任洪堡学者、博士后和副教授。2011年加入中国科学技术大学国家同步辐射实验室。国家杰出青年科学基金获得者、科技部中青年科技领军人才、中科院优秀导师和唐立新优秀学者。长期致力于同步辐射技术及应用研究。近年来，依托同步辐射大科学装置，针对电化学能源储存与转化中的精准表征问题，研制了多种在线实验平台和数据分析新方法，实现了同步辐射多技术的联用，从原子、电子和离子等层面上揭示了电化学能源储存与转化过程和工作机制。迄今，共计发表SCI论文300余篇，被引用38000余次，个人H因子98，连续入选科睿唯安（2019-2022）全球高被引科学家。近五年，以通讯作者发表论文60余篇，包括Nat. Energy、Nat. Sustain.、PNAS、 Nat. Commun.、 Adv. Mater.、JACS、Angew. Chem.、Joule等，授权发明专利多项，应邀为Adv. Mater.、Mater. Today等期刊撰写10余篇综述论文，受邀在欧洲E-MRS等国内外学术会议上作邀请报告20余次。目前担任中国物理学会同步辐射专业委员会委员、《核技术》与《中国光学》及《Nano Research Energy》编委、《Nano Research》与中国物理学会四刊联合青年编委等。

宋礼教授课题组主页: https://faculty.ustc.edu.cn/songli/en/index.htm

陈庆军，中国科学院赣江创新研究院研究员，博士生导师，国家重点研发计划首席科学家、中国科学院引才计划入选者、江西省杰出青年科学基金获得者、江西省双千计划创新领军人才（青年）。2012年于华东理工大学获得博士学位。毕业后于中国科学院上海高等研究院担任助理研究员。2013年至2021年，先后在日本富山大学、挪威科技大学、中国科学院过程工程研究所从事博士后和研究员工作。2021年加入中国科学院赣江创新研究院。研究方向为氢能和燃料电池关键材料与应用，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院、北京市、江西省等国家和省部级科研项目二十余个，在Joule, Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Sci., ACS Catal.等期刊发表论文60余篇。

彭立山，中国科学院赣江创新研究院副研究员，入选中国科学院青年促进会会员和江西省双千计划创新领军人才（青年）。2019年于重庆大学获得博士学位，后在西湖大学、新西兰奥克兰大学和中国科学院理化技术研究所从事博士后研究工作。主要研究方向为水分解、氢燃料电池、金属空气电池等用于能量存储和转化的先进电催化剂的设计和理论研究，主持国家自然科学基金、中国科学院等项目多项，在Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Catal.，Adv. Sci.等期刊发表论文70余篇，h指数为33，总被引4000余次。

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