一种高增益、低纹波的DC/DC转换器，适用于使用可再生能源的离网氢生产系统

《International Journal of Hydrogen Energy》：A high-gain, low-ripple DC/DC converter suitable for off-grid hydrogen production systems using renewable energy

　　采用脉冲微波法合成PtAlCoMnPd高熵合金负载于三种碳材料（CNT、RGO、XC-72），研究表明HEA/CNT在氧还原（ORR）和二氧化碳还原（CO2RR）中表现出最佳电催化性能，其高比表面积和均匀的FCC结构使电流密度达~989 A g?1（ORR）和~783 A g?1（OER），且在CO2环境中仍保持~271 A g?1（ORR）和~235 A g?1（OER）的活性，稳定性达24小时，电荷转移电阻低至4.2Ω（O2）和4.28Ω（CO2），证实碳纳米管作为载体能增强电子转移和中间体稳定作用。

　　

阿斯温尼·库马尔·纳特（Aswini Kumar Nath）、阿吉特·辛格（Ajeet Singh）、林梦芳（Meng-Fang Lin）、杨博志（Po-Chih Yang）、谢建德（Chien-Te Hsieh）

台湾桃园元泽大学化学工程与材料科学系，32003

摘要

通过脉冲微波法制备了在三种不同碳载体（碳纳米管（CNT）、还原氧化石墨烯（RGO）和Vulcan炭黑（XC-72）上的PtAlCoMnPd高熵合金（HEA），并评估其作为多功能电催化剂的性能。在三种配置（HEA/CNT、HEA/RGO和HEA/XC-72）中，HEA/CNT形成了具有优异电化学性能的多孔均匀催化剂，其中HEA纳米颗粒呈现均匀的面心立方（FCC）相，平均粒径为3.4纳米。在O₂气氛下，该催化剂在氧还原反应（ORR）中的电流密度约为989 A g^?1，在氧进化反应（OER）中的电流密度约为783 A g^?1；在CO₂气氛下仍保持高活性（ORR约为271 A g^?1，OER约为235 A g^{?1₂中的电阻为4.2 Ω，在CO₂中的电阻为4.28 Ω），该催化剂表现出24小时的稳定性，证明CNT与HEA的结合能增强电子转移和中间产物的稳定性，优于其他催化剂。}

引言

开发高效电催化剂对于推进关键能源转换技术（包括电解器、燃料电池和金属空气电池）至关重要。其中，氢作为一种清洁、可再生且环境可持续的能源载体，通过质子交换膜燃料电池得到了广泛应用[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。然而，氧还原反应（ORR）和二氧化碳还原反应（CO₂RR）的实际应用仍受到缓慢的动力学、低选择性和水系统中竞争性的氢进化反应（HER）的阻碍。基于铂和钯的贵金属催化剂由于其优异的稳定性和性能，在ORR和CO₂RR方面表现出高催化活性和选择性。然而，它们的高成本和易受CO中毒的影响限制了大规模应用。

最近，包含五种或更多主要元素的高熵合金（HEAs）因其可调的热学、电学、磁学和催化性能而受到关注[7,8]。尽管已有许多研究探索了HEAs在各种电化学应用（如HER、ORR和OER）中的潜力[[9], [10], [11], [12]]，但对成分可控的HEA纳米催化剂的研究仍然有限。在设计这类催化剂时，稳定性、催化效率和成本效益是关键考虑因素[[13], [14], [15]]。电化学还原CO₂是一种可持续且经济可行的方法，可将CO₂转化为高附加值化学品和可再生燃料，同时减少温室气体排放[[16], [17], [18], [19]]。通过合理的催化剂设计，CO₂RR可以产生多种产品：一氧化碳（CO）、甲酸（HCOOH）、甲烷（CH₄）、多碳烃和含氧化合物，通过调整反应路径实现[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]]。从技术和经济角度来看，CO₂的两电子还原生成CO或HCOOH特别有利[[25], [26], [27]]。尽管基于铂和钯的催化剂对CO₂RR具有高活性，但其高成本、易受CO中毒的影响以及与HER的竞争仍是主要缺点[[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]]。

为了解决这些问题，目前的努力方向是提高CO₂RR的效率，同时尽量减少HER，特别是对于基于铂和钯的系统。HEAs由于其独特的微观结构、可调的活性位点和协同的多元素相互作用，提供了有希望的替代方案，从而提高了选择性和反应动力学。此外，基于碳的载体（如CNT、RGO和XC-72）在提高催化剂导电性、分散性和耐久性方面起着关键作用[[35], [36], [37], [38], [39]]。最近的研究表明，负载在碳上的HEA催化剂（如PtAuPdFeCoNiCu/C）表现出优异的ORR活性，这归因于合金与碳载体之间的协同效应、最佳的氧解吸能量以及增强的结构完整性，从而促进了高效的四电子转移和长期耐久性[39]。同样，成本效益高的CuMnNiZn HEAs也因可调的电子结构和有利的吸附能量以及强大的多元素协同作用而在CO₂RR方面显示出潜力[40]。密度泛函理论计算进一步证实，这些多金属系统优化了反应中间体的结合能，提高了CO₂的转化效率和产物选择性。

与此同时，通过各种简便方法合成了负载在碳上的金属催化剂，表现出有前景的电化学CO₂RR性能[41,42]。其中，微波辅助合成作为一种快速且节能的方法，具有能耗低、加热速度快、合成时间短、扩散过程增强以及所得材料结构和电子性能改善等优点[[43], [44], [45], [46]]。尽管取得了这些进展，但仍迫切需要开发低含量的基于铂和钯的HEA催化剂，这些催化剂负载在碳基底上，能够在ORR、CO₂RR和OER中提供高催化性能。在这项研究中，我们报道了使用微波辅助方法在各种碳材料上制备了等原子量的PtPdAlCoMn HEA纳米颗粒，这些颗粒具有面心立方（FCC）相，类似于Cantor合金。电化学评估表明，这些HEA/C复合材料在ORR和CO₂RR方面表现出优异的催化活性和长期稳定性，突显了它们作为经济高效且耐用的电催化剂在可持续能源应用中的潜力[47]。

材料

氯化铂（PtCl₂，99.9%）、氯化钯（PdCl₂，99.9%）、六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O，98%）、六水合氯化镍（NiCl₂·6H₂O，98%）、三氯化铁（FeCl₃，98%）、九水合硝酸铝（Al(NO₃)₃·9H₂O，98%）和硼氢化钠（NaBH₄，98%）均购自Sigma-Aldrich。乙二醇（EG，99%）、异丙醇（IPA，99.5%）和Nafion? 117溶液（含5%的低级脂肪醇和水）购自Alfa Aesar。多壁碳纳米管（Multi-walled CNTs）

HEA催化剂的表征

原始HEA以及负载在三种不同碳材料（XC-72、RGO和CNT）上的HEA的XRD图谱如图2所示。40°和47°处的显著衍射峰对应于FCC相的（111）和（200）衍射面，与标准的基于铂的FCC结构非常吻合，表明HEA形成了单相FCC合金[51]。所有碳负载样品中约26°处的宽峰归因于碳的特征（002）面

结论

本研究成功制备了负载在碳材料上的PtAlCoMnPd高熵合金，并将其应用于多功能电催化。脉冲微波辅助方法使得形成了具有均匀FCC结构的超细HEA纳米颗粒，而负载在CNT上的变体在O₂和CO₂环境中表现出更优异的活性、选择性和耐久性。HEA/CNT的增强性能源于其高表面积和优异的导电性

CRediT作者贡献声明

阿斯温尼·库马尔·纳特（Aswini Kumar Nath）：撰写——原始草稿、验证、软件使用、方法论、研究、数据分析、概念化。阿吉特·辛格（Ajeet Singh）：撰写——审阅与编辑、验证、软件使用、研究、数据分析。林梦芳（Meng-Fang Lin）：可视化处理、验证、数据分析。杨博志（Po-Chih Yang）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、数据分析。谢建德（Chien-Te Hsieh）：撰写——审阅与编辑、可视化处理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢台湾国家科学技术委员会（NSTC）在NSTC 114-2221-E-155-005-MY3和NSTC 112-2221-E-155-005-MY3合同下的财政支持。