利用纳秒脉冲紫外激光后处理对高熵合金纳米颗粒进行表面活化，以提高水分解效率和燃料电池性能

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Surface Activation of High-Entropy Alloy Nanoparticles Using ns-Pulsed UV Laser Postprocessing for Enhanced Water Splitting and Fuel Cell Performance

激光后处理技术增强高熵合金催化剂的氧还原与氧化反应活性及稳定性，表面电荷密度提升与缺陷工程关联显著，低能量纳秒脉冲即可实现高效催化性能，为规模化氢能生产提供新途径。

　　近年来，随着对可持续能源需求的增加，催化剂在电化学反应中的作用愈发重要。特别是，在绿色氢气生产和燃料电池应用中，催化剂的性能直接影响能量转换效率。为了提高这些反应的效率，研究人员探索了多种方法，其中一种新兴的策略是利用脉冲激光技术进行催化剂的后处理。该技术通过在液体中对催化剂分散体施加脉冲激光，以单脉冲精度引入阳离子或点缺陷，并调控表面性质。尽管这种方法已广泛应用于氧化物催化剂，但其在金属或合金催化剂中的应用仍处于探索阶段。

本研究聚焦于一种高熵合金（High-Entropy Alloy, HEA）纳米颗粒，即Pd₃₀Ru₃₀Pt₁₀Ir₁₀Rh₂₀，其理论模型表明该合金可能在酸性介质中表现出优于铂的氧还原反应（ORR）活性。通过使用纳秒脉冲紫外（ns-UV）激光进行处理，研究发现该合金纳米颗粒在酸性氧析出反应（OER）中的过电位降低了80 mV，同时在酸性ORR中的活性提高了十倍。值得注意的是，这种性能提升并不伴随纳米颗粒尺寸和组成的显著变化，表明激光处理主要影响的是表面性质。

实验结果显示，激光处理后的纳米颗粒表面电荷密度显著增加，而其表面组成和氧化状态未发生变化。这一现象通过控制实验进一步验证，即使用铱纳米颗粒作为对照，发现其表面负电荷组分并未显著增加，这表明激光处理对PdRuPtIrRh纳米颗粒的表面特性具有特异性影响。此外，实验中使用的低激光能量（1 mJ cm^?2）在水溶液中表现出良好的效果，且其应用范围可扩展至千克级催化剂的制备，这为大规模工业应用提供了可能性。

在电化学性能测试方面，研究团队通过旋转圆盘电极（RDE）和计时电流法（Chronoamperometry）等手段评估了激光处理后的催化剂表现。结果显示，激光处理显著提升了OER和ORR的性能，尤其是在低激光能量下。例如，在OER测试中，经过三次激光处理（约99个脉冲）的纳米颗粒表现出更低的过电位，而在ORR测试中，经过两次处理（约66个脉冲）的纳米颗粒显示出更高的电流密度。这些数据表明，激光处理对催化剂的性能优化具有累积效应，即随着处理次数的增加，其性能提升更加明显。

进一步的理论计算和光学建模表明，这种激光处理技术在水溶液中具有高度的可扩展性。通过调整激光的重复频率和流速，可以在不影响纳米颗粒尺寸的情况下实现对表面特性的精准调控。此外，实验还发现，激光处理不仅影响了纳米颗粒的表面电荷密度，还可能通过引入新的表面活性组分，如羟基（*OH）、过氧化物（*OOH）和超氧化物（*O₂^?）等，显著提高了催化剂的活性。然而，高能量激光处理反而导致性能无明显改善，这表明在特定的能量范围内，激光处理效果最为显著。

研究还探讨了激光处理对催化剂长期稳定性的影响。通过计时电流法，研究人员发现激光处理后的纳米颗粒在OER条件下表现出较低的稳定性，这可能与氧化层的形成有关，而ORR条件下则显示出更高的稳定性。这种差异提示我们，激光处理可能在不同的电化学反应条件下对催化剂产生不同的影响，这为未来催化剂设计提供了新的思路。

本研究的意义在于揭示了脉冲激光处理对催化剂表面特性的影响机制，并展示了其在提升催化剂性能方面的潜力。通过这种技术，可以实现对催化剂表面的精准调控，从而在不改变其基本结构的情况下显著提升其活性和稳定性。这不仅为绿色氢气生产和燃料电池技术的发展提供了新的方向，也为其他电化学反应催化剂的优化提供了借鉴。

实验方法部分详细描述了纳米颗粒的合成过程、表征手段以及电化学测试的具体操作。纳米颗粒通过激光烧蚀法（Laser Ablation in Liquids, LAL）在水溶液中制备，使用了一种高功率的纳秒紫外激光系统。为了确保处理的均匀性，采用了圆柱形和扁平形液流喷嘴，并通过控制激光功率和重复频率，实现了对纳米颗粒的精准处理。此外，纳米颗粒的表面特性通过X射线光电子能谱（XPS）、分析离心法（ADC）和Zeta电位测量等方法进行评估，确保了实验数据的准确性和可靠性。

总体而言，这项研究展示了脉冲激光处理技术在催化剂优化中的巨大潜力。通过这种技术，可以在低能量条件下实现催化剂性能的显著提升，这不仅降低了生产成本，还提高了其可扩展性。未来，该技术有望在大规模工业应用中发挥重要作用，为实现更高效的能源转换和储存提供技术支持。同时，该研究也为其他金属和合金催化剂的表面工程提供了新的研究方向和方法论基础。