导语
氢能作为实现碳中和目标的核心载体，在工业脱碳与清洁能源转型中至关重要。然而，电解水制氢技术面临淡水短缺的困境，海水电解虽是理想替代方案，却受困于阳极析氯反应。近日，松山湖材料实验室刘利峰研究员、华南师范大学陈祖信副研究员、大湾区大学夏广杰研究员联合团队在《Advanced Functional Materials》上发表的成果，采用 “焦耳热冲击法” 合成碳载五元高熵氧化物催化剂（FeCoNiMnCuO），为无氯海水制氢提供了新的解决方案，也为深圳中科精研在相关领域的探索提供了思路。
研究亮点
创新合成工艺 ：利用焦耳热冲击法（50 ms 脉冲）实现碳载五元高熵氧化物催化剂的快速制备，突破传统工艺限制，精准调控纳米颗粒尺寸与结构。
卓越催化性能 ：在真实海水中仅需 0.545 V（vs. RHE）即可驱动 500 mA/cm² 电流密度，较传统析氧反应节能 70%，并稳定运行超 100 小时，展现优异的 SOR 性能。
高熵效应优势 ：高熵效应通过稳定电荷分布，显著降低决速步（S₈ 脱附）能垒，优化反应路径，提升催化效率与稳定性。
图文解析
合成路径与结构表征
通过焦耳热超快还原技术与室温氧化相结合，成功制备碳载 FeCoNiMnCuO 高熵氧化物催化剂。金属硝酸盐前驱体经湿化学负载和冷冻干燥后，以碳纸为导电介质施加瞬态电流，实现超快还原，随后在室温下氧化转化为岩盐结构氧化物。XRD 证实其单相结构，无合金残留峰。TEM 显示颗粒均匀分散，平均粒径约 9.5 nm。Cs-STEM 揭示（121）晶面原子级有序排列，HAADF-STEM 及元素映射证实五元金属空间均匀分布，但小颗粒中存在纳米级相分离。该工艺有效抑制晶粒生长，突破高熵材料合成瓶颈。
元素价态与配位环境
同步辐射 XAS 解析高熵氧化物的电子结构。K 边 XANES 表明 Fe（+3）、Co（+2）、Ni（+2）、Mn（+3）、Cu（+2）价态分别匹配相应标准物，但吸收边形状差异揭示多元素电子耦合效应。FT-EXAFS 显示所有金属元素 M-M 配位路径长度相近，证实岩盐结构中原子级混合。Cu 的弱 M-M 散射强度表明其倾向占据表面缺陷位，为硫吸附提供活性中心。
SOR 性能与机理
FeCoNiMnCuO 在含 2.0 M Na₂S 海水中达到 100 mA/cm² 仅需 0.351 V_RHE，较 OER 节能 1.35 V；500 mA/cm² 过电位（0.545 V_RHE）显著低于中熵材料。Tafel 斜率与最小电荷转移电阻证实其优异动力学，100 小时稳定性测试验证抗腐蚀性。高熵效应增强活性位点暴露与界面电荷传输，是性能提升的关键。
操作谱学揭示动态界面演化
操作 XAS 捕捉硫化物活性相原位形成。开路电位下，Cu 优先硫化，Fe/Co/Ni 部分转化，Mn 保持惰性；施加 0.55 V_RHE 后，Cu₂S→CuS 转化且 Fe 氧化态升高。硫 K 边 XAS 显示硫化物特征峰及多硫化物肩峰，XPS 证实反应后金属 - 硫键与硫酸盐共存。原位拉曼光谱揭示高熵催化剂在低电压触发 S²⁻ 和 S₃²⁻/S₄²⁻ 信号，强度较单金属催化剂大幅提升。
DFT 阐明高熵效应机制
基于岩盐（020）晶面的 DFT 计算量化电子结构优势。FeCoNiMnCuO@S 的 S₈ 脱附能垒仅 0.23 eV，较 FeCoNiO@S 降低 50%。电荷密度差分表明 S₈ 脱附时高熵表面电荷扰动最小。多元素协同调控 d 带中心，优化硫中间体吸附强度，与实验性能高度吻合。
海水电解应用突破
非对称电解槽中，FeCoNiMnCuO 阳极与 Pt/C 阴极构成体系。70°C 时达到 500 mA/cm² 仅需 1.07 V，对应制氢能耗 2.4 kWh/m³ H₂。500 小时持续运行电压波动 < 3%，规避氯析出反应和碳载体氧化问题，为海洋氢能开发提供新方案。
总结与展望
本研究通过焦耳热冲击法成功制备碳载五元高熵氧化物催化剂，实现无氯海水制氢的关键突破。原位表征揭示 S²⁻ 诱导表面动态形成金属硫化物活性层，结合 DFT 理论证实高熵效应显著降低决速步能垒，优化反应路径。基于该催化剂的膜电极电解槽在工业级电流密度下稳定运行且能耗低，较传统海水电解节能超 50% 且完全规避析氯副反应，为海洋氢能开发提供了高效、稳定、环保的新途径。
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