Band Gap Narrowing in a High-Entropy Spinel Oxide Semiconductor for Enhanced Oxygen Evolution Catalysis

尖晶石 氧化物 化学 带隙 过电位 催化作用 化学物理 无机化学 电负性 物理化学 材料科学 光电子学 冶金 生物化学 有机化学 电极 电化学
作者
Rowan R. Katzbaer,Francisco Marques dos Santos Vieira,Ismaïla Dabo,Zhiqiang Mao,Raymond E. Schaak
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (12): 6753-6761 被引量:112
标识
DOI:10.1021/jacs.2c12887
摘要

High-entropy oxides (HEOs), which contain five or more metal cations that are generally thought to be randomly mixed in a crystalline oxide lattice, can exhibit unique and enhanced properties, including improved catalytic performance, due to synergistic effects. Here, we show that band gap narrowing emerges in a high-entropy aluminate spinel oxide, (Fe0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2)Al2O4 (A5Al2O4). The 0.9 eV band gap of A5Al2O4 is narrower than the band gaps of all parent spinel oxides. First-principles calculations for multicomponent AAl2O4 spinels indicate that the band gap narrowing arises from the broadening of the energy distribution of the 3d states due to variations in the electronegativities and crystal field splitting across the 3d transition-metal series. As a catalyst for the oxygen evolution reaction in an alkaline electrolyte, A5Al2O4 reaches a current density of 10 mA/cm2 at an overpotential of 400 mV, outperforming all of the single-metal end members at an applied potential of 1.7 V vs RHE. Catalyst deactivation occurs after 5 h at 10 mA/cm2 and is attributed, based on elemental analysis and grazing-incidence X-ray diffraction, to the formation of a passivating layer that blocks the high-entropy oxide surface. This result helps to validate that the HEO is the active catalyst. The observation of band gap narrowing in A5Al2O4 expands the scope of synergistic properties exhibited by high-entropy materials and offers insight into the question of how the electronic structure of multicomponent oxide materials can be engineered via a high-entropy approach to achieve enhanced catalytic properties.
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