图1展示了高温冲击合成(HTS)过程的温度曲线,以及FeCoMnCuAl HEA纳米颗粒合成过程中关键步骤的示意图。温度曲线显示,HTS过程可以在约1400°C的高温下进行,加热和冷却速率约为1000°C每秒。插图详细说明了碳布预处理、 precursor溶液浸泡以及HTS合成FeCoMnCuAl HEA纳米颗粒的过程。这个过程中,碳布表面形成了缺陷,有助于纳米颗粒的均匀分散。
图2展示了FeCoMnCuAl电催化剂的XPS分析结果。图2(a)为全谱扫描,确认了Fe、Co、Mn、Cu和Al元素的存在。图2(b)至图2(e)分别为Fe 2p、Co 2p、Mn 2p和Cu 2p的详细谱图,揭示了这些元素的价态分布。例如,Fe 2p谱图显示了Fe 0 和Fe 2+/3+的存在,Co 2p谱图显示了Co 0 、Co 2+ 和Co 3+的存在。这些高价的过渡金属表面态被认为有助于提高电催化活性。
图3利用X射线吸收近边结构(XANES)和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析了FeCoMnCuAl和FeCoMnCu电催化剂中各元素的氧化态。通过比较Fe、Cu和Mn的K边,发现FeCoMnCuAl中这些元素的价态略有降低,而Co的价态没有变化,这表明Al的引入可以防止内部元素的氧化。
图4展示了FeCoMnCuAl和FeCoMnCu电催化剂的氧还原反应(OER)性能。图4(a)的线性扫描伏安(LSV)曲线显示了FeCoMnCuAl在10 mA cm^-2电流密度下的过电位为280 mV,低于商业RuO2的过电位。图4(b)显示了Tafel斜率,FeCoMnCuAl的Tafel斜率为76.13 mV dec^-1,低于RuO2和FeCoMnCu。图4(c)通过电化学活性表面积(ECSA)的测量,显示了FeCoMnCuAl具有更大的双电层电容,表明有更多的活性位点。图4(d)的电化学阻抗谱(EIS)显示了FeCoMnCuAl具有较低的电荷转移电阻,有利于电子转移和OER反应。图4(e)和图4(f)展示了FeCoMnCuAl在长时间电解和循环测试中的稳定性。
图5分析了FeCoMnCuAl和FeCoMnCu电催化剂的结构差异。SEM和TEM图像表明,FeCoMnCuAl纳米颗粒尺寸更小,分布更均匀。XAFS分析揭示了Fe、Co、Mn和Cu的金属状态,以及FeCoMnCuAl中Cu-M键长的增加,这表明Al的引入有助于防止Cu的相分离,从而改善OER性能。总体而言,FeCoMnCuAl的OER性能优于FeCoMnCu,这可能归因于其更高的吸附位点和独特的结构特性。