近日，深圳大学化学与环境工程学院何传新教授课题组在《Advanced Materials》（影响因子29.4，中科院JCR 1区，Top期刊）上发表了题为《UltrathinHigh-Entropy Fe-Based Spinel Oxide Nanosheets with Metalloid Band Structures for Efficient Nitrate Reduction towards Ammonia》的研究论文。该团队亓帅博士生为论文第一作者，胡琪副教授、何传新教授为通讯作者，深圳大学为唯一通讯作者单位。
尖晶石氧化物由于其灵活的成分和电子构型被广泛应用于各种重要的电催化反应，包括析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）。为了提高OER和ORR活性，人们致力于通过调节化学成分或引入各种缺陷（如氧和阳离子空位）来优化氧相关中间体在尖晶石氧化物上的吸附强度。尽管在高效尖晶石基电催化剂的合理设计方面取得了实质性进展，但其活性增强仍然受到电子导电性低的固有限制。最近，高熵氧化物引起了全球范围的关注，因为其独特的催化性能。合理设计高熵氧化物可能为缩小带隙和突破尖晶石氧化物低电导率的限制提供新的可能性。
NO3−RR提供了一种有效和可持续的途径，可以从NO3−污染物中生产NH3，从而完成氮循环。然而，NO3−RR的反应过程十分复杂，涉及到各种副产物（如NO2−，NO和N2），因此需要高活性和选择性的电催化剂。目前，基于Fe的电催化剂由于其低成本和高NH3选择性成为NO3−RR的有前景的候选者。尽管对Fe催化的NO3−RR反应路径进行了深入研究，但仍然不清楚影响Fe基电催化剂性能的关键因素，因此合理设计Fe基模型电催化剂，研究其反应机制成为一项具有挑战性的工作。
在本工作中，何传新教授团队尝试通过引入高熵成分（即A5Fe2O4）来缩小Fe基尖晶石氧化物的带隙和增强电子导电性。在密度泛函理论（DFT）计算的指导下，通过改进的溶胶-凝胶法合成了超薄高熵Fe基尖晶石氧化物A5Fe2O4。扩散反射光谱结果表明，A5Fe2O4的带隙仅为0.85 eV，显著小于带隙范围为1.5到2.4 eV的其他二元尖晶石氧化物（AFe2O4）。电子结构研究揭示了这种缩小的带隙导致了从半导体向类金属体的转变，大幅提升导电性。改进的溶胶-凝胶方法使得产生了超薄的类纳米片状形貌。相较于块体尖晶石氧化物，提供了大约3倍的表面积和高度暴露的活性位点。凭借缩小的带隙、增强的导电性和高度暴露的活性位点，A5Fe2O4在NO3−RR中表现出良好的性能，产NH3的最大法拉第效率约为98.1%，优于报道的大部分非贵金属尖晶石氧化物。
该研究成果得到国家自然科学基金联合重点项目、粤深联合重点项目、深圳市科技计划等项目资金支持。
