西工大李睿副教授最新AFM: 基于负混合焓高熵合金构建梯度多级孔结构实现高效安培级电流密度水电解

第一作者：张旗芹 硕士研究生

通讯作者：李睿*

单位：西北工业大学

在追求可持续能源体系的进程中，将间歇性可再生能源（如太阳能、风能）高效转化为可储存化学燃料至关重要。其中，可再生能源驱动的水电解技术，因其零碳排放、高能量转换效率、环境友好及操作简便性，备受瞩目。梯度多级孔结构凭借多尺度互联孔隙、高比表面积的优势，促进了质量传输与化学反应速率，同时缓解了高电流密度下气泡冲击，保证了催化结构的长期稳定性。尽管梯度多级孔结构在催化方面的应用已经有很多报道，但其复杂的模板制备方法限制了其应用，因此开发简便策略获取高效自支撑多级孔结构催化剂显得尤为重要，本研究提出通过负混合焓组元调控高熵合金多尺度结构，成功研发具有自支撑梯度多级孔结构的高熵合金（HEA）催化电极，并展现出卓越水电解催化性能，具有工业应用的潜力。

近日，西北工业大学的李睿课题组，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Architecting Gradient Hierarchically Porous Catalyst via Negative Mixing Enthalpy High-Entropy Alloy for Durable Water Splitting at Ampere-Level Current Density”的文章。该文章报告了一种基于负混合焓组元构建梯度多级孔催化结构的策略，研发的自支撑多级孔高熵合金电极在水分解制氢方面表现出了优越的性能，能够实现安培级电流密度的高效水电解。这项工作强调了利用负混合焓合金组元调控高熵合金多尺度结构并构建自支撑多级孔催化电极的优势，可广泛应用于能源转换领域。

在安培级电流密度下，梯度多级孔高熵合金催化剂表现出优越的OER活性和稳定性：该梯度多级孔结构不仅为高熵催化活性位点提供了较大的接触面积，而且还确保了高效的质量传输途径和卓越的结构稳定性。该催化剂在 10 mA cm^-2 和 1 A cm^-2 的电流密度下过电位分别为 215 mV 和 370 mV。此外，其在 2 A cm^-2 的超高电流密度下，稳定性极佳，活性衰减可忽略不计，稳定性超过 1000 小时，优于商用 IrO₂ 和 RuO₂ 以及许多已报道的先进电催化剂。

本文报道的基于负混合焓组元构建梯度多级孔催化结构的方法可以扩展到其他 HEA 或多主元合金体系，为开发高效、耐用、经济的电解水催化材料提供了一种独特的可扩展方法。

此外，本文报道的梯度多级孔高熵合金催化剂有望应用于工业条件水电解：得益于高熵金属间化合物固有的化学稳定构型和梯度多级孔隙结构的独特优势，采用该梯度多级孔HEA 催化电极组装的制氢电解槽在工业条件（高温、高电流密度、高电解液浓度）下表现出卓越的效率和出色的耐久性，具有极大的工业应用潜力。

Architecting Gradient Hierarchically Porous Catalyst via Negative Mixing Enthalpy High-Entropy Alloy for Durable Water Splitting at Ampere-Level Current Density

李睿，西北工业大学副教授、博士生导师，主要从事多主元复杂合金的设计、研发及其功能特性研究，探索非晶合金、高熵合金、纳米晶合金等亚稳态合金以及三维纳米多孔金属在清洁能源储存及转换领域的应用。相关研究成果在Advanced Materials，Nature Communications，Advanced Science等期刊发表论文30余篇，授权国家发明专利8项。