导语
开发兼具高活性与高稳定性的低铂催化剂是推动电解水制氢产业化的关键挑战。近日，浙江理工大学张明教授团队在《International Journal of Hydrogen Energy》上发表重要研究成果。团队创新性地采用两步碳热冲击法，成功构建了具有铂富集壳层的高熵合金核壳结构催化剂（HEA@Pt）。该催化剂在碱性析氢反应中表现出卓越的性能，仅需51 mV的过电位即可达到10 mA cm⁻²的电流密度，并在100 mA cm⁻²下稳定运行超过100小时。该研究为设计高性能、低成本的高熵合金电催化剂提供了新思路。
研究亮点
结构创新：通过两步碳热冲击法构建Pt壳-高熵合金核结构，显著提升铂原子利用率
性能卓越：析氢过电位低至51 mV@10 mA cm⁻²，稳定性优异（100小时@100 mA cm⁻²）
机制明晰：实验与理论计算结合，揭示Pt壳层优化反应动力学的电子结构机制
系统验证：全水解系统仅需1.58 V槽压@10 mA cm⁻²，展现工业应用潜力
图文解析
图1 展示了两步碳热冲击法的合成流程：首次冲击（1秒）形成FeCoNiCr四元合金前驱体，二次冲击（0.5秒）引入Pt并形成核壳结构，差异化时间控制是实现Pt表面偏析的关键。
图2 的形貌与元素分析显示，纳米粒子在碳纤维上分散均匀，元素线扫描与面分布直接证实了Pt在边缘富集、其他元素集中于核心的核壳结构，ICP-MS与构型熵计算（1.56 R）满足高熵合金定义。
图3 的结构表征表明，材料为单一面心立方固溶体，XPS中Pt 4f结合能的正移（+0.09 eV）证实了核壳间的强电子相互作用。
图4 的电化学性能测试显示，HEA@Pt的活性、动力学及稳定性均显著优于对照样品，在100 mA cm⁻²下运行100小时后过电位仅增加8.3%。
图5 的DFT计算揭示，HEA@Pt的d带中心（-1.424 eV）更靠近费米能级，其水分子解离能垒（0.52 eV）与氢吸附自由能（-0.16 eV）均得到优化，从理论上阐明了高性能根源。
图6 的全水解性能显示，以HEA@Pt为阴极、HEA@Ru为阳极的集成系统仅需1.58 V@10 mA cm⁻²，并可稳定运行200小时，验证了该策略的普适性与实用性。
技术支撑
本研究的成功实施依赖于以下核心技术与设备支持：
两步碳热冲击系统：具备毫秒级精确控温与快速切换能力的焦耳加热设备
前驱体设计：多金属盐溶液的精确配比与顺序负载策略
结构表征平台：结合HRTEM、EDS、XPS等证实核壳结构与元素分布
理论计算体系：通过DFT计算深入揭示电子结构与反应路径
该技术路线与超快材料合成、高熵材料设计及电催化领域的技术平台高度兼容，为精密结构催化剂的理性设计提供了创新路径。
总结展望
本研究通过两步碳热冲击法成功制备了具有铂富集壳层的高熵合金催化剂，在显著降低铂用量的同时实现了优异的析氢活性和稳定性。该工作不仅证明了核壳结构设计与高熵合金组合的协同优势，也彰显了分步超快合成在精准调控材料结构中的强大能力。未来，该策略有望拓展至更多元催化体系，推动高效低成本电解水制氢技术的发展。
文献信息
Directed modulation of Pt-rich shell high-entropy alloy electrocatalysts toward efficient alkaline water splitting
International Journal of Hydrogen Energy, 2025, 151991
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.151991
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