郭少军毕业论文

研究背景

内容简介

基于此，近日香港理工大学黄勃龙和北京大学郭少军团队设计了一种新的通用低温方法，将多达八种金属元素合并到一个单相亚纳米带中，以获得世界上最薄的HEA金属材料。实验表明，超薄HEA亚纳米带（SNR）的合成过程包括：（1）通过不同金属前体与银纳米线模板之间的电交换反应形成不同的金属原子成核，（2）不同金属前体在纳米线模板上的共还原，以及（3）去除内部银核。密度泛函理论（DFT）计算表明，HEA SNR的结晶和稳定性强烈依赖于模板中的“高动态”Ag，HEA亚纳米带的结晶水平与Pt和Pd的浓度密切相关。目前的合成方法能够灵活控制HEA SNR中的组分和浓度，以实现HEA SNR库和优异的电催化性能。设计良好的HEA SNR在催化燃料电池氧还原反应方面有很大的改进，并且具有高放电容量、低充电过电位和优异的锂电池耐久性 氧气电池。DFT计算表明，HEAs中高浓度还原性元素具有很强的还原能力，而其他元素则保证了有效的电子转移。相关论文以“A General Synthetic Method for High-Entropy Alloy Subnanometer Ribbons”发表在J. Am. Chem. Soc.

本文亮点

1. 构建2D HEA SNR的一般合成路线，包括但不限于五元（PtPdIrRuAg）、六元（PtPdIrRuAuAg）、七元（PtPdIrRuAuRhAg）和八元（PtPdIrRuAuRhOsAg）SNR。

2. 合成机理研究表明，HEA SNR是通过（1）不同金属前驱体与银之间的电偶交换反应形成不同的金属原子成核而形成的纳米线模板，（2）不同金属前体在纳米线模板上的共还原，（3）去除内部银核。

3. 密度泛函理论（DFT）计算表明，银从模板上的最大迁移是保证HEA中其他金属元素稳定的基本因素。同时，钯和铂的浓度对于确定HEA的结晶水平至关重要。在催化应用方面，代表性的五元HEA SNR是碱性电解质中ORR的高效和稳定的电催化剂。

4. DFT计算证实，高动态还原元素（Pd、Pt、Ag、Au）的浓度对于实现HEA的优异电活性至关重要，相对惰性的氧化元素（Ir、Ru、Rh、Os）提高了站点到站点的电子转移效率，但可能导致局部聚集。

图文解析

TEM,HAADF-STEM,PXRD

HEA PtPdIrRuAg SNR的宽度为50 150 nm，长度可达数微米。HEA-PtPdIrRuAg SNR 的厚度确定为约 nm。所获得的 HEA-PtPdIrRuAg SNR 的PXRD结果表明HEA-PtPdIrRuAg SNR 采用无相偏析的 fcc 合金结构。EDS元素映射揭示了Pt、Pd、Ir、Ru和 Ag 元素在五元中的均匀分布。HEA-PtPdIrRuAg SNR 上表面原子排列的原子分辨率 HAADF-STEM 图像和相应的快速傅里叶变换（FFT）模式进一步证明HEA-PtPdIrRuAg SNR 采用 (001)面向fcc 的结构。来自 HEA-PtPdIrRuAg SNR 中各个选定区域的 (200) HEA 晶格说明所获得的五元 HEA 中的晶格畸变。

HAADF-STEM,PXRD

不同成分金属在模板上的可控成核和生长是通过湿化学合成中的电流交换途径和共还原过程实现的，脱合金策略实现了新型 HEA 的二维结构演化。HEA 合成方法是通用的，可用于制造具有 fcc 晶体结构的 六元HEA-PtPdIrRuAuAg SNR、七元 HEA-PtPdIrRuAuRhAg SNR和八元 HEA-PtPdIrRuAuRhOsAg SNR。此外，严重的晶格畸变以及8组分 HEA-PtPdIrRuAuRhOsAg SNR中的无序晶格可能会在一个原子平面上导致更多的原子堆垛层错，这会在不均匀的晶面上引起明显的 X 射线布拉格散射，导致八元 HEA 信噪比的PXRD 衍射峰强度减弱和变宽。

MD模拟

为了进一步了解HEAs的形成过程，通过MD模拟进行DFT计算。为了了解HEA形成过程中原子的动力学，他们比较了元素的均方位移（MSD）。金属原子在HEA形成过程中不断移动，MSD表示金属原子随时间相对于其原始位置的位置偏差。随着更多元素被引入HEA，整体MSD也增加，表明原子迁移行为更强，熵更高，不稳定性可能增加。在HEA形成过程中，Pd和Pt是决定HEAs结晶性的主要因素。Pd和Pt对HEA-SNR的形成有重要的促进作用，而其他金属对HEA-SNR的形成没有明显的影响。

电化学性能

在O2饱和的 M KOH 中 探索 了五元 HEA-Pt23Pd20Ir17Ru16Ag24SNR 的电催化 ORR 性能，并进一步与商业 Pt/C 进行了比较。HEA-PtPdIrRuAg SNRs/C 的半波电位 (E1/2) 为 V，而 ORR 的RHE远高于商业 Pt/C（ V）。在 V 时，HEA-PtPdIrRuAg SNRs/C 的质量活度为 A mgPt-1和 A mgPGMs-1（Pt 族金属，PGMs），比商业 Pt/C 高出 和 倍（ A mgPt-1)。经过 10000 次电位循环后，HEA-PtPdIrRuAg SNRs/C 的半波电位几乎没有变化，HEA-PtPdIrRuAg SNRs/C 的质量活度保持在 A mgPt-1和 A mgPGMs-1，在 10 000 个循环中分别比商业 Pt/C（ A mgPt-1）高 倍和 倍。

电池性能测试

在 A g-1时，HEA-PtPdIrRuAuAg SNRs/C 在 A g-1 的电流密度下显示出 V 的低充电过电位和 5252 mAh g-1 的高放电容量。当放电容量在 A g-1 下固定为 1000 mAh g-1 时，HEA-PtPdIrRuAuAg SNRs/C 的充电过电位低至 V。随着电流密度从 增加到 A g-1，充电过电位仍低于 V（1000 mAh g-1 时为 V）。低充电电压也可以通过 mV s-1 从 到 V 的循环伏安法 (CV) 曲线来证明，其中 HEA-PtPdIrRuAuAg SNRs/C 在 V 处可见低氧化峰。该结果表明 HEA-PtPdIrRuAuAg SNRs/C 可以作为Li2O2分解的有效催化剂。基于 HEA-PtPdIrRuAuAg SNRs/C 的 Li-O2 电池在 A g-1 下具有 100 次循环的稳定耐久性。

DFT计算

用密度泛函理论（DFT）研究了HEAs的电子结构和电活性。结果表明 Pd、Pt、Ag 和Au 是实现具有强还原能力的稳定 HEA 的关键因素。同时，Ru、Ir、Rh和Os提高了电子转移能力。这两种金属之间的优化平衡导致 ORR 和 Li-O2 电池在五元和六元 HEA 中的卓越性能。除了Ir 和 Ru，Pt 显示出很高的键合可能性。特别是，Pt 和 Os 在相邻位置上是高度优选的。通过 DFT 在五元HEA-PtPdIrRuAg 和 六元HEA-PtPdIrRuAuAg 中进一步研究了 ORR 和 Li-O2 电池的性能。在 0 V 下，ORR过程显示出持续的下坡趋势。对于 Li-O2 电池，Li 到Li2O2 的放电过程显示出自发转化。

该研究主要计算及测试方法

做同步辐射 找易科研

做球差电镜 找易科研

做计算 找易科研

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