無序晶體結構是指固體材料中因原子缺失（空位）或晶格錯排而形成的不對稱原子晶格，它對電催化析氫反應（HER）工藝的改善已被廣泛證明。

2024年6月5日，北京科技大學吳俊升教授、張博威副研究員團隊與新加坡南洋理工大學黃一中教授、劉政教授團隊合作在Advanced Materials期刊發表題為“Lattice‐Disordered High‐Entropy Alloy Engineered by Thermal Dezincification for Improved Catalytic Hydrogen Evolution Reaction”的研究論文，北京科技大學Huang Kang、新加坡南洋理工大學Cao Xun/Lu Yu為論文共同第一作者，張博威副研究員、西北工業大學Shi Wencong、劉政教授、吳俊升教授、黃一中教授為論文共同通訊作者。

該研究工作中，由于Zn的特殊物理特性（蒸發溫度低于900°C），Zn被用作一種犧牲成分，用于制造具有高度無序晶格的六元PtIrNiCoFeZn高熵合金（HEA）。用TEM熱擴散散射（TDS）表征了晶格無序PtIrNiCoFeZn HEA的結構。密度泛函理論DFT計算表明，晶格無序不僅加速了HER過程中的Volmer和Tafel步驟，還優化了H₂O和H吸附后費米能附近的投影態密度（PDOS）的強度和分布。實驗測量結果證明，該材料具有極高的堿性HER活性和穩定性。該研究介紹了一種制備不規則晶格的新方法，可提供高效HEA，并介紹了一種TDS表征方法，可揭示材料中的無序晶格。它為探索和開發具有不對稱無序晶格的材料的催化活性提供了一條新途徑。

DOI：10.1002/adma.202304867

無序晶格是一種晶體缺陷，它打斷了固體本征結構中原子的完美堆疊。然而，迄今為止，有關晶格無序對高熵合金等金屬材料催化作用影響的研究還很少。該研究報道了在一系列從二元到六元合金中設計晶格無序的策略，該策略是通過低蒸發點活性元素的蒸發來實現的。蒸發溫度低于900℃的過渡金屬Zn被用作制造晶格畸變的人工成分。Zn本身對HER具有電化學惰性，很少用作HER電催化劑的活性成分。該研究利用激光輻照技術在多壁碳納米管（MWCNTs）表面合成了一元（Pt/Ir）到六元（PtIrNiCoFeZn HEA）納米顆粒。合成六元PtIrNiCoFeZn HEA納米顆粒的工藝示意圖如圖1a所示。首先制備一種溶劑，即所選金屬離子的混合物。隨后用溶劑將含有MWCNTs的紙浸濕，干燥后再進行激光照射。在高能量激光束的照射下，由于熱脫鋅（即鋅蒸發）作用，得到的PtIrNiCoFeZn HEA納米顆粒的原子晶格變得無序。通過對電子束在透射電子顯微鏡（TEM）中的熱擴散散射（TDS）分析，驗證了無序晶格的存在。這些無序晶格表明電催化劑的HER性能得到了改善。僅需要10和55mV過電位就可以實現10和100mA·cm^-2的電流密度，塔菲爾斜率僅為16.90mV·dec^-1。此外，在堿性溶液中以100mA·cm^-2的電流密度進行50小時的長期穩定性測試后，PtIrNiCoFeZn HEA納米顆粒也表現出顯著的結構和成分穩定性，沒有發生任何相變和元素溶解。密度泛函理論DFT計算表明，無序晶格可以加速HER過程中的Volmer和Tafel步驟，并優化費米能附近總態密度 (TDOS) 的強度和分布。實驗和計算結果都表明，晶格缺陷可以提高電催化劑的電催化HER性能。該研究為設計和制造具有高度無序/扭曲晶格的材料用于能量存儲和轉換提供了新方向/途徑。

圖2. PtIrNiCoFeZn和PtIrNiCoFe的顯微結構分析

總之，在激光照射下，通過Zn蒸發合成了具有高度無序/扭曲晶格的六元PtIrNiCoFeZn HEA。經評估，這種晶格無序的PtIrNiCoFeZn HEA的電催化HER性能和長期穩定性超出了預期。達到10/100mA·cm^-2的電流密度需要極低的過電位，低至10/55mV, Tafel斜率值僅為16.90mV·dec^-1。此外，這種合金還能經受50小時的穩定性測試，而不會出現任何結構和成分劣化。密度泛函理論DFT計算表明，HER過程中Volmer步驟和Tafel步驟的加速、費米能附近TDOS強度和分布的優化都得益于晶格無序。該研究提出的方法為探索和開發具有無序/扭曲晶格的催化材料的實際應用提供了啟示。