全球能源危机日益严峻，为应对环境与资源的双重压力，开发高效且经济的清洁能源催化剂成为关键。南京理工大学兰司、朱贺课题组近日在《Progress in Natural Science: Materials International》期刊上发表的研究，通过创新的高温冲击合成技术成功制备了无贵金属的 FeCoMnCuAl 高熵合金纳米颗粒。这项研究为氧还原反应（OER）催化剂领域带来了高效且可持续的解决方案，也为未来大规模清洁能源应用奠定了技术基础。
电催化水分解因其高效、无污染的特点，成为未来能源开发的前沿技术。然而，在水分解过程中，氧还原反应（OER）作为关键半反应，其慢速动力学和较高的过电位限制了商业化应用。当前广泛应用的 OER 电催化剂大多依赖稀有的贵金属，如铑和钌，成本高昂且资源稀缺，难以满足大规模应用需求。高熵合金（HEA）因具备多元元素的独特结构，展现出优越的电催化性能，成为一种替代贵金属的新型材料。
南京理工大学课题组利用高温冲击合成（HTS）技术制备出一种 FeCoMnCuAl 纳米颗粒，材料呈面心立方结构，平均粒径仅约 25 纳米。通过 X 射线吸收精细结构与光电子能谱等技术分析，研究发现这些纳米颗粒在表面和内部均有 Fe、Co、Mn、Cu 和 Al 元素分布，并具有不同价态。实验表明，FeCoMnCuAl 纳米颗粒在 1 M KOH 溶液中展示出卓越的 OER 性能，在 10 mA cm⁻² 电流密度下，过电位仅为 280 mV，塔菲尔斜率为 76.13 mV dec⁻¹，稳定性更高于商用 RuO₂ 电催化剂。这一成果为开发低成本、高性能的 OER 催化剂开辟了新途径，并为清洁能源的大规模应用带来了希望。
图文导读
高温冲击合成过程
图 1 展示了高温冲击合成过程的温度曲线和关键步骤示意图，显示了 HTS 工艺在 1400°C 高温下实现的快速加热与冷却过程。此过程确保了碳布表面生成缺陷结构，有助于纳米颗粒的均匀分布。
元素分析与价态分布
图 2 中的 XPS 分析确认了 Fe、Co、Mn、Cu 和 Al 的元素存在，并揭示了多价态高熵结构对电催化活性的提升作用。
氧化态分析
图 3 通过 X 射线吸收近边结构（XANES）和扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）技术，对 FeCoMnCuAl 和 FeCoMnCu 催化剂中的元素氧化态进行了深入分析。结果表明，Al 的引入显著降低了 Fe、Cu 和 Mn 的氧化态，有效防止内部元素的氧化。
OER 性能评估
图 4 显示 FeCoMnCuAl 纳米颗粒在 OER 应用中的表现，具有低过电位、高双电层电容以及更高的电化学稳定性。
结构稳定性
图 5 的 SEM 和 TEM 图像揭示了 FeCoMnCuAl 纳米颗粒的均匀分布特点，XAFS 分析进一步表明 Al 的引入能够防止 Cu 的相分离，从而增强了材料的长期稳定性。
南京理工大学课题组通过高温冲击技术制备的 FeCoMnCuAl 高熵合金纳米颗粒展示了优异的 OER 电催化性能，这项研究不仅为高效、经济的无贵金属催化剂提供了新选择，也为清洁能源转化应用的商业化带来希望。
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