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文 章 信 息
CuCoCrRuMo HEA achieving Cl- repulsion and Mg resource recovery in industrial-current-density seawater electrolysis
期刊：Acta Materialia（2026，307：121971）
DOI：10.1016/j.actamat.2026.121971
第一作者：何浩
通讯作者：吕学伟、党杰
通讯邮箱：lvxuewei@cqu.edu.cn；jiedang@cqu.edu.cn
单位：重庆大学材料科学与工程学院
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研 究 背 景
海水电解被视为缓解淡水消耗、拓展绿氢供给的重要路径，但工程化应用长期受两大问题限制：
Cl-腐蚀与副反应：盐水环境加速电极腐蚀，降低寿命与可靠性；
Mg(OH)2结垢/覆盖：阴极局部碱化诱发Mg2+沉淀，活性位点被遮蔽、传质受阻，导致电极快速失活。
如何在工业电流密度下同时解决“抗氯腐蚀 + 抗结垢”，仍是海水电解迈向规模化的关键挑战。
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文 章 简 介
本工作设计并制备了五元CuCoCrRuMo高熵合金（HEA）电极，采用“电沉积+焦耳热诱导快速热处理”方法在泡沫镍上构筑纳米花结构，实现了：在强碱与模拟海水中工业电流密度（1000 mA cm-2）下的高效HER/OER；通过界面调控实现Cl-排斥与Mg(OH)2高纯回收的协同。
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本 文 要 点
要点一：工业电流密度下双功能高效且耐久
在1M KOH 中，电极在1000 mA cm-2时HER/OER过电位分别为402 mV / 450 mV；在模拟海水（1 M KOH + 0.5 M NaCl）中进一步降低至368 mV / 430 mV，并可在同一高电流密度下稳定运行1000 h。
要点二：排斥固体吸附（solidophobic）界面抑制结垢，实现镁资源回收
高熵合金表面更易吸附水形成稳定水膜层，对Mg2+产生排斥效应，使Mg(OH)2以“可脱附/可收集”的形式析出，避免传统阴极上“越用越厚”的结垢失活。
要点三：MoO42-排氯+Cr2O3保护，协同抗腐蚀
机理上，OER过程中Mo原位转化生成MoO42-相关物种，对Cl-产生界面排斥、降低其吸附渗入；同时Cr形成Cr2O3保护层增强耐蚀性。多种表征与计算结果共同指向Ru/Co（及Mo）在反应中提供关键活性位点并优化中间体吸附，从而在高盐环境下兼顾活性与寿命。
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研 究 内 容
图1：CuCoCrRuMo高熵合金（HEA）的合成示意图。
图2：a）泡沫镍的SEM图；b、c）CuCoCrRuMo HEA的SEM图；d）TEM图；e、f）HRTEM图；g）HAADF图及Cu、Co、Cr、Ru、Mo的EDS元素分布图（CuCoCrRuMo HEA）。
图3：合成与结构表征。a）HEA在JRTP退火过程中的温度—时间曲线；b）CuCoCrRuMo、CuCoCrRu、CuCoCr与CuCo样品的XRD图谱；c）CuCoCrRuMo HEA的XPS谱；d）CuCoCrRuMo、CuCoCrRu、CuCoCr与CuCo样品的水接触角；e）CuCoCrRuMo 的TOF-SIMS深度依赖元素分布；f）基于TOF-SIMS深度剖析的三维结构图。
图4：天然海水电解示意图：a）传统阴极；b）“固体疏附（solidophobic）”阴极；c）采用阳离子交换膜的三电极体系海水电解示意图。Mg在电极表面的AIMD模型：d）6H2O；e）10H2O；f）Mg2+到电极表面的距离；g）四种电极在100 mA cm-2下天然海水电解稳定性测试；h）产物Mg(OH)2的XRD图谱。
图5：四种电极CuCoCrRuMo（a1、b1）、CuCoCrRu（a2、b2）、CuCoCr（a3、b3）与CuCo（a4、b4）电解前后的照片；CuCoCrRuMo（c1）、CuCoCrRu（c2）、CuCoCr（c3）与CuCo（c4）的三维光学轮廓仪（3D optical profilometer）图像。
图6：析氢（HER）电化学性能。a）LSV；b）Tafel曲线；c）在1 M KOH 中，CuCoCrRuMo、CuCoCrRu、CuCoCr与CuCo于10、200、1000 mA cm-2的过电位；d）LSV；e）Tafel曲线；f）在1 M KOH + 0.5 M NaCl中，CuCoCrRuMo、CuCoCrRu、CuCoCr与CuCo于10、200、1000 mA cm-2的过电位；g）CuCoCrRuMo在1 M KOH + 0.5 M NaCl中1000 mA cm-2条件下恒电流计时电位稳定性测试（1000 h）。
图7：析氧（OER）电化学测试。a）OER-LSV曲线；b）Tafel曲线；c）CuCoCrRuMo、CuCoCrRu、CuCoCr与CuCo在1 M KOH + 0.5 M NaCl 中的过电位；d）CuCoCrRuMo在1 M KOH + 0.5 M NaCl中1000 mA cm-2条件下OER恒电流计时电位稳定性；e）OER前后Mo 3d的XPS谱；f）OER后CuCoCrRuMo的TOF-SIMS深度剖析与g）Cl-与MoO42-的三维结构视图。
图8：a）CuCoCrRuMo（OER后）、Ru箔与RuO2的Ru K边XANES对比谱；b）Ru K边EXAFS谱；c）Ru K边小波变换分析（CuCoCrRuMo、Ru箔、RuO2）；d）CuCoCrRuMo（OER后）、Mo箔与MoO3的Mo K边XANES对比谱；e）Mo K边EXAFS谱；f）Mo K边小波变换分析（CuCoCrRuMo、Mo 箔、MoO3）；g）OER后CuCoCrRuMo的TOF-SIMS三维结构。
图9：HER与OER过程的DFT计算。a）HEA不同位点对H2O的结合能；b）CuCoCrRuMo HEA不同位点的ΔGH；c）总态密度（TDOS）与d）分态密度（PDOS）；e）吸附物演化机制（AEM）吸附示意图；f）OER 过程的吉布斯自由能图与g）CuCoCrRuMo HEA不同位点在OER过程中的ΔG值。
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总结与展望
该研究以高熵合金界面工程为核心，提出“排氯抗腐蚀+抗结垢自清洁+资源回收”一体化思路，为面向工业电流密度的海水电解电极设计提供了可迁移的策略：通过在运行中构筑“水化膜/固体排斥界面”与“原位排斥氯离子/保护层”协同机制，让电极在高盐环境下稳定运行。
资助信息
国家自然科学基金（52222408）；中国宝武低碳冶金创新基金（BWLCF202302）。
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文 章 链 接
CuCoCrRuMo HEA achieving Cl- repulsion and Mg resource recovery in industrial-current-density seawater electrolysis：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.121971
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通 讯 作 者 简 介
吕学伟，男，教授，博士（硕士）生导师，重庆大学人事处处长。主要从事复杂难处理铁矿高效低碳冶炼、炉渣高温物理化学、钒钛冶金与新材料等方向的研究工作。近年来主持国家杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划课题、基金委重点项目、优秀青年基金项目等国家纵向及企业横向项目60余项。以第一/通讯作者在Acta Mater.、Metall. Mater. Trans. B、Int. J. Miner. Metall. Mater.、ISIJ Int.等国内外学术刊物发表SCI论文160余篇。主编《冶金概论》教材1本，获重庆市重点教材；出版英文专著《High Temperature Physicochemical Properties of High Alumina Blast Furnace Slag》、中文专著《复合铁酸钙高温物理化学》（获国家出版基金资助）各1部。以第一发明人授权国家发明专利40余项，主持制定国家标准1部。相关成果获教育部高等学校科技进步一等奖2项，重庆市科技进步一等奖1项。入选“长江学者奖励计划”青年学者、赵天从冶金教育优秀青年教师奖、鼎新青年科学家奖、重庆英才·创新领军人才、2020–2024爱思唯尔冶金工程高被引学者、全国百篇优秀博士论文提名奖等荣誉和称号。
党杰，重庆大学教授/博导，国家自然科学基金优秀青年基金、霍英东教育基金会青年教师基金获得者，国家重点研发计划首席青年科学家，重庆市学科带头人，入选中国科协青年人才托举工程、全球前2%顶尖科学家榜单；获教育部科技进步一等奖、中国有色金属工业科学技术奖一等奖等奖励。主要从事氢及氢冶金、资源高值化利用方向的研究工作。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划任务/子课题、中国宝武低碳冶金创新基金等项目。以第一/通讯作者在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Acta Mater.、J. Energy Chem.等刊物共发表SCI论文90余篇，授权发明专利40件。担任钢铁钒钛、有色金属工程、铁合金等期刊编委，中国金属学会冶金物化分会等5个学术组织委员。
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