导语
析氧反应（OER）作为电解水制氢的动力学瓶颈，其催化剂设计长期面临活性与稳定性难以兼得的根本矛盾。传统催化剂受限于线性标率关系，而过量引入晶格氧氧化机制（LOM）虽能提升活性，却常以结构崩溃为代价。开发兼具低过电位与超长寿命的新型催化剂体系，是推动绿色氢能产业化的核心材料挑战。
针对这一难题，东南大学化学化工学院诸海滨教授团队在可持续化学与工程领域权威期刊 《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》 上发表了题为 “Amorphous High-Entropy Borides Ensuring High Activity and Stability toward Efficient Water Oxidation” 的研究论文。该工作创新性地提出 “非晶高熵硼化物+碳热冲击处理” 的协同设计策略，成功合成了一种七元非晶高熵硼化物（HEB-CTS）催化剂。研究发现，碳热冲击（CTS）法在1秒内的超快非平衡处理，不仅有效稳定了材料的非晶高熵结构，更引入了关键性的丰富氧空位。这些氧空位能巧妙抑制碱溶性元素的溶出，调控表面重构动力学，从而将反应机制导向高效且温和的LOM路径。最终，该催化剂在10 mA cm⁻²电流密度下仅需250 mV的低过电位，并在100 mA cm⁻²的高电流密度下稳定运行超过550小时，性能全面超越商用RuO₂催化剂，为设计下一代工业级OER催化剂提供了全新的理论框架与材料范式。
研究核心亮点
⚡ 秒级极端合成：采用碳热冲击法（CTS），在1秒内实现1150-1400°C的超高温处理与快速淬火，成功将非晶结构与高浓度氧空位“冻结”于材料之中。
🎯 活性与稳定性双双突破：在碱性OER中达到250 mV@10 mA cm⁻²的优异活性（塔菲尔斜率34.4 mV dec⁻¹），更在100 mA cm⁻²的高电流密度下实现超过550小时（>23天） 的无衰减稳定运行，远超商用标准。
🔬 机制创新明确：通过多尺度原位表征与理论计算，首次清晰揭示了CTS诱导的氧空位是调控表面重构动力学、抑制元素溶出、并促使反应机制由吸附演化机制向更高效的晶格氧氧化机制转变的关键。
🧠 理性设计范式：构建了 “非晶高熵基底（多元素协同）+ 碳热冲击处理（缺陷工程）” 的普适性设计策略，其中硼（B）元素稳定非晶骨架，铈（Ce）、铜（Cu）等优化电子转移，钼（Mo）、锌（Zn）等参与可控重构，为高性能催化材料的设计提供了可推广的蓝图。
图文解析
图1：HEB-CTS催化剂的合成路径、非晶结构表征与均匀元素分布
本图系统展示了从非晶前驱体到最终催化剂的完整制备流程与核心结构特征。合成路径依次为共沉淀法获得非晶高熵氧化物前驱体（HEO）、硼氢化钠硼化形成高熵硼化物（HEB），最后经碳热冲击（CTS） 处理得到目标催化剂HEB-CTS。XRD图谱与高分辨TEM图像 共同证实，CTS处理后的材料仍保持完美的非晶结构，未出现晶化或相分离。EPR谱图中显著增强的g=2.003信号，是CTS过程成功引入大量氧空位的直接证据。EDS元素面分布图 清晰显示Co、Ni、Zn、Cu、Ce、Mo、B七种元素在材料中呈高度均匀的原子级混合，印证了高熵合金的特性，而ICP数据 表明CTS处理前后元素比例基本不变，证明了该超快过程具有良好的成分保持能力。
图2：电化学循环过程中的表面重构行为对比分析
本图通过对比HEB与HEB-CTS在循环伏安循环过程中的电化学响应，深入揭示了CTS处理对稳定性的决定性影响。对于未处理的HEB，其LSV曲线在100圈循环后明显右移，同时电化学阻抗谱中的表面重构电阻（R₂）持续增大，表明其结构在不断重构中失活。相反，HEB-CTS在约50圈循环后即达到稳定状态，其LSV曲线不再变化，且R₂值增长极为缓慢，同时溶液电阻（Rₛ）有所下降。Bode图中的相位角变化进一步表明，HEB-CTS具有更有序、更快速达到稳态的表面重构过程。这些数据共同证明，CTS处理显著减缓了表面重构动力学，使催化剂能快速形成一个稳定、高活性的表面相。
图3：长期循环后表面结构与成分的演变
本图揭示了HEB与HEB-CTS在经历200圈OER循环后表面状态的巨大差异。HRTEM显示两者表面均形成了一层约10 nm厚的非晶活性层，这是OER过程中的典型表面重构现象。然而，XPS深度剖析给出了关键区别：循环后，HEB表面的Cu、Mo、Zn信号几乎完全消失，而HEB-CTS中这些元素的信号仍清晰可见。结合对电解液进行的ICP-MS分析（显示HEB中多元素严重溶出，而HEB-CTS溶出极微），确凿证实了CTS引入的氧空位能有效锚定易溶的金属元素，抑制其从晶格中浸出，从而保持了活性层的化学成分与结构完整性，这是其超高稳定性的根本原因。
图4：从AEM到LOM反应机制转变的原位证据
本图通过一系列互补的原位谱学与电化学分析，提供了HEB-CTS遵循晶格氧氧化机制的关键证据。原位拉曼光谱 在1067 cm⁻¹处检测到过氧类物种（O₂²⁻）的特征信号，这是LOM路径中晶格氧直接参与反应形成的关键中间体。pH依赖性测试 表明HEB-CTS的OER活性与pH值的关系更符合LOM特征。四甲基铵离子探针实验 进一步确认，HEB-CTS表面存在大量可反应的晶格氧位点。这些结果形成完整证据链，共同证明HEB-CTS通过CTS调控，成功将反应路径从传统的吸附演化机制转向了能突破标度关系限制的LOM机制。
图5：综合电催化性能与长期稳定性评估
本图全面展示了HEB-CTS卓越的OER性能。其在10 mA cm⁻²下的过电位低至250 mV，塔菲尔斜率为34.4 mV dec⁻¹，展现出极快的反应动力学。通过双层电容测算的电化学活性面积最大，表明其暴露了丰富的活性位点。在100 mA cm⁻²的高电流密度下进行长达550小时的恒电位测试，电流密度仅衰减约2%，其稳定性远超对比样品（包括HEB、商用RuO₂）及文献中报道的多数高熵材料与金属硼化物，凸显了其满足工业化高电流密度长时间运行的巨大潜力。
图6：密度泛函理论计算揭示氧空位与电子结构的关键作用
本图从原子与电子尺度阐释了性能提升的微观机理。计算表明，HEB-CTS中氧空位的形成能显著降低，说明CTS处理后的结构更容易产生并维持氧空位。电荷密度差分显示，在经历表面重构后，HEB-CTS与吸附氧物种之间的电荷转移更为显著。态密度分析进一步揭示，重构后的表面Ni/Co的d带中心上移，增强了对反应中间体的吸附强度。最终的自由能计算图清晰表明，HEB-CTS在LOM路径上的各步反应能垒均显著低于传统AEM路径，从理论上完美解释了其高活性的来源。
总结与展望
本项研究通过精妙的材料设计与先进的合成手段，成功制备了一种兼具突破性活性与卓越稳定性的非晶高熵硼化物OER催化剂。其核心价值在于揭示了 “碳热冲击处理” 这一极端非平衡过程，可通过引入氧空位这一关键“开关”，实现对催化剂表面重构动力学与反应机制的双重精准调控。这不仅解决了LOM催化剂稳定性差的经典难题，也展示了高熵材料与非晶结构在催化领域的巨大潜力。
该工作所确立的 “多元素协同的非晶高熵基底 + 碳热冲击缺陷工程” 设计范式，具有较强的普适性与启发性。展望未来，此范式可进一步拓展至更多元的高熵组分设计，以优化特定中间体的吸附；亦可探索与其他极端合成技术（如激光淬火、等离子体冲击）的结合，追求更极致的缺陷调控。同时，推动该材料在质子交换膜电解槽、海水电解等更苛刻的实际工况下进行验证，将是推动其从实验室走向工业应用的关键下一步。这项研究为开发下一代高效、耐用、低成本的水氧化催化剂奠定了坚实的科学基础。
文献信息
Wang, Z.-L.; Li, J.; Li, C.; Huang, G.-Y.; Chen, C.-C.; Zhu, H.-B. Amorphous High-Entropy Borides Ensuring High Activity and Stability toward Efficient Water Oxidation. ACS Sustainable Chem. Eng. 2026, *14*, XXX-XXX. DOI: 10.1021/acssuschemeng.5c10744.
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