无序晶体结构是指固体材料中因原子缺失（空位）或晶格错排而形成的不对称原子晶格，它对电催化析氢反应（HER）工艺的改善已被广泛证明。

2024年6月5日，北京科技大学吴俊升教授、张博威副研究员团队与新加坡南洋理工大学黄一中教授、刘政教授团队合作在Advanced Materials期刊发表题为“Lattice‐Disordered High‐Entropy Alloy Engineered by Thermal Dezincification for Improved Catalytic Hydrogen Evolution Reaction”的研究论文，北京科技大学Huang Kang、新加坡南洋理工大学Cao Xun/Lu Yu为论文共同第一作者，张博威副研究员、西北工业大学Shi Wencong、刘政教授、吴俊升教授、黄一中教授为论文共同通讯作者。

该研究工作中，由于Zn的特殊物理特性（蒸发温度低于900°C），Zn被用作一种牺牲成分，用于制造具有高度无序晶格的六元PtIrNiCoFeZn高熵合金（HEA）。用TEM热扩散散射（TDS）表征了晶格无序PtIrNiCoFeZn HEA的结构。密度泛函理论DFT计算表明，晶格无序不仅加速了HER过程中的Volmer和Tafel步骤，还优化了H₂O和H吸附后费米能附近的投影态密度（PDOS）的强度和分布。实验测量结果证明，该材料具有极高的碱性HER活性和稳定性。该研究介绍了一种制备不规则晶格的新方法，可提供高效HEA，并介绍了一种TDS表征方法，可揭示材料中的无序晶格。它为探索和开发具有不对称无序晶格的材料的催化活性提供了一条新途径。

DOI：10.1002/adma.202304867

无序晶格是一种晶体缺陷，它打断了固体本征结构中原子的完美堆叠。然而，迄今为止，有关晶格无序对高熵合金等金属材料催化作用影响的研究还很少。该研究报道了在一系列从二元到六元合金中设计晶格无序的策略，该策略是通过低蒸发点活性元素的蒸发来实现的。蒸发温度低于900℃的过渡金属Zn被用作制造晶格畸变的人工成分。Zn本身对HER具有电化学惰性，很少用作HER电催化剂的活性成分。该研究利用激光辐照技术在多壁碳纳米管（MWCNTs）表面合成了一元（Pt/Ir）到六元（PtIrNiCoFeZn HEA）纳米颗粒。合成六元PtIrNiCoFeZn HEA纳米颗粒的工艺示意图如图1a所示。首先制备一种溶剂，即所选金属离子的混合物。随后用溶剂将含有MWCNTs的纸浸湿，干燥后再进行激光照射。在高能量激光束的照射下，由于热脱锌（即锌蒸发）作用，得到的PtIrNiCoFeZn HEA纳米颗粒的原子晶格变得无序。通过对电子束在透射电子显微镜（TEM）中的热扩散散射（TDS）分析，验证了无序晶格的存在。这些无序晶格表明电催化剂的HER性能得到了改善。仅需要10和55mV过电位就可以实现10和100mA·cm^-2的电流密度，塔菲尔斜率仅为16.90mV·dec^-1。此外，在碱性溶液中以100mA·cm^-2的电流密度进行50小时的长期稳定性测试后，PtIrNiCoFeZn HEA纳米颗粒也表现出显著的结构和成分稳定性，没有发生任何相变和元素溶解。密度泛函理论DFT计算表明，无序晶格可以加速HER过程中的Volmer和Tafel步骤，并优化费米能附近总态密度 (TDOS) 的强度和分布。实验和计算结果都表明，晶格缺陷可以提高电催化剂的电催化HER性能。该研究为设计和制造具有高度无序/扭曲晶格的材料用于能量存储和转换提供了新方向/途径。

图2. PtIrNiCoFeZn和PtIrNiCoFe的显微结构分析

总之，在激光照射下，通过Zn蒸发合成了具有高度无序/扭曲晶格的六元PtIrNiCoFeZn HEA。经评估，这种晶格无序的PtIrNiCoFeZn HEA的电催化HER性能和长期稳定性超出了预期。达到10/100mA·cm^-2的电流密度需要极低的过电位，低至10/55mV, Tafel斜率值仅为16.90mV·dec^-1。此外，这种合金还能经受50小时的稳定性测试，而不会出现任何结构和成分劣化。密度泛函理论DFT计算表明，HER过程中Volmer步骤和Tafel步骤的加速、费米能附近TDOS强度和分布的优化都得益于晶格无序。该研究提出的方法为探索和开发具有无序/扭曲晶格的催化材料的实际应用提供了启示。