Surface Segregation–Driven Composition–Activity Mapping of High-Entropy Alloy Nanoparticles for Oxygen Reduction Reaction

纳米材料基催化剂 五元 催化作用 集群扩展 纳米颗粒 合金 星团(航天器) 材料科学 化学 纳米技术 热力学 计算机科学 物理 冶金 生物化学 程序设计语言
作者
Qingyang Ye,Yiran Cheng,Liang Cao
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-m3s9j-v3
摘要

High-entropy alloy (HEA) nanocatalysts hold great promise as heterogeneous catalysts, yet their rational design remains a formidable challenge due to complex atomic arrangements and a vast compositional space. Here, we present a DFT-trained machine-learning cluster-expansions (ML-CE) framework for high-throughput screening of quinary HEA compositions sampled systematically at 5% intervals. Coupled with Metropolis Monte Carlo (MMC) simulations, the framework resolves temperature- and atmosphere-dependent surface segregation, then predicts equilibrated structures and site-averaged turnover frequencies. For Ir–Pd–Pt–Rh–Ru octahedral nanoparticles in the oxygen reduction reaction (ORR), the screening predicts Pt- and Rh-rich, Pd- and Ru-lean formulations that could deliver up to ~12-fold higher ORR activity than commercial Pt/C. Statistical analysis that highly active sites are dominated by first-nearest-neighbor triplets composed exclusively of Pt and Pd atoms. The framework enables rapid composition–activity mapping across multicomponent alloys, links surface segregation to catalytic performance, and derives transferable design principles accounting for segregation dynamics, adsorbate binding energetics, and local coordination, offering a practical strategy for rational HEA catalyst discovery.
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