第一作者：Zichen Wang
通讯作者：Niancai Cheng, Qiliang Wei, Jun Zhong,
通讯单位：福州大学材料科学与工程学院、宁波工程学院微纳米材料与器件研究所、苏州大学功能纳米与软物质研究院
论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.126034
近日，福州大学材料科学与工程学院程年才教授、宁波工程学院微纳米材料与器件研究所魏启亮教授、苏州大学功能纳米与软物质研究院钟俊教授等团队合作，在电解水制氢催化剂研究方面取得重要突破。研究团队成功设计并制备了二维多孔结构的FeCoNiMoRu高熵氧化物纳米片，通过构建Mo与Ru之间的电荷竞争机制，并利用Fe、Co、Ni向Ru的定向电子转移，有效调控并稳定了Ru的价态，显著提升了析氧反应的催化活性与稳定性。该催化剂在10 mA cm-2电流密度下过电位仅为226 mV，显著优于商用RuO2（315 mV）；其质量活性高达1.615 A mgRu-1，为RuO2的18.6倍。该研究为发展高效、稳定的多组分电解水催化剂提供了新的设计思路与理论依据。相关成果以“Charge Competition Enhancing Ru-based High Entropy Oxide Nanosheet for Efficient and Stable Oxygen Evolution Reaction”为题，于2025年10月1日发表于《应用催化B：环境与能源》（Applied Catalysis B: Environment and Energy）杂志。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.126034
发展氢能，是推动交通、工业等领域深度脱碳，加速实现“碳中和”目标的重要战略举措。电解水制氢是一种经济可行的绿色制氢技术，但其阳极析氧反应（OER）动力学缓慢，严重制约了整体能量转换效率。目前，Ru基催化剂因其优越的本征活性而备受关注。然而，钌元素成本高昂，且在反应过程中易转化为不稳定的高价态（Run+，n>4+），导致活性组分溶解与催化剂失活，严重制约其大规模应用与水电解技术的发展。因此，开发低成本、高活性且结构稳定的Ru基OER催化剂，对提升水电解技术的效率与可持续性具有重要意义。
1. 独特结构与卓越性能：材料具备超薄厚度与丰富孔隙结构，有效暴露活性位点并加速传质过程。优化后的催化剂在10 mA cm-2电流密度下过电位仅为226 mV，显著优于商用RuO2（315 mV）。其质量活性高达1.615 A mgRu-1，是RuO2（0.087 A mgRu-1）的18.6倍。
2. 电子协同与价态稳定：结合实验与理论分析发现，Fe、Co、Ni元素向Ru的定向电子转移，以及Mo与Ru之间的电荷竞争效应，共同缓冲了Ru的电荷变化，稳定了其价态，从而显著增强了催化剂的耐久性。
3. 机制调控与性能提升：Mo与Ru间的电荷竞争有效调控了Ru的电子结构，使其对含氧中间体呈现适宜的吸附强度，进而优化了反应路径，大幅提升了OER催化性能。
图1. FeCoNiMoRu HEO的制备策略与微观结构表征
要点1：TEM与SEM图像证实了FeCoNiMoRu HEO材料具有超薄的二维多孔形貌，其表面均匀分布的介孔（5-10 nm）有利于质量传输与活性位点暴露。HRTEM与XRD结果一致表明，所合成的高熵氧化物具备金红石相晶体结构，且各元素（Fe、Co、Ni、Mo、Ru）在EDS能谱中呈现均匀分布，证实了单相高熵固溶体的形成。
图2. FeCoNiMoRu HEO表面化学态与活性位点电子配置分析
要点2：XPS与XAS分析表明，Fe、Co、Ni元素作为电子供体，向Mo与Ru发生电荷转移，导致Mo和Ru的结合能显著负移。引入Mo后，Ru的XANES吸收边位置相较于无Mo样品向高能方向移动，证实Mo与Ru之间存在电荷竞争，这一效应有效调控了Ru的局域电子环境。
图3. FeCoNiMoRu HEO电催化及电解水性能评估
要点3：FeCoNiMoRu HEO在10 mA cm-2电流密度下过电位仅为226 mV，显著优于商用RuO2（315 mV），其质量活性达到1.615 A mgRu-1，为RuO2的18.6倍。Tafel斜率和EIS测试表明其反应动力学更为迅速。在300小时全水解槽运行中，催化剂表现出优异的稳定性，具备实际应用潜力。
图4. FeCoNiMoRu HEO催化剂耐久性评估
要点4：OER测试后，催化剂的二维多孔形貌与晶格结构仍保持完整，元素分布未见明显偏析。XPS谱图显示Ru的化学态在反应前后基本不变，表明其价态在反应过程中被有效稳定，高熵结构有效抑制了活性金属的溶解与表面重构。
图5. 理论计算解析FeCoNiMoRu HEO催化剂增强机制
要点5：DFT计算表明，OER的速率控制步骤为O向OOH的转化。FeCoNiMoRu HEO中Ru位点对含氧中间体的吸附能趋于最优，有效降低了反应能垒。电子结构分析进一步显示，电荷竞争使Ru的d带中心相较于无Mo样品略微上移，但仍低于RuO2，从而实现吸附强度与催化活性的协同优化。
本研究通过构建二维多孔高熵氧化物纳米片，成功实现了对Ru价态的精准调控与稳定，显著提升了OER性能。该策略为设计高效、稳定的多组分电催化剂提供了新思路。
Zichen Wang, Suhao Chen, Runzhe Chen, Haoran Jiang, Yinghui Jiang, Qiliang Wei*, Wei Wu, Jun Zhong*, Niancai Cheng*, Applied Catalysis B: Environment and Energy 2026, 383, 126034. DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.126034
程年才，福州大学教授。2010年毕业于武汉理工大学，获工学博士学位。其后于2011-2016年分别在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）、加拿大西安大略大学（UWO）从事新能源纳米材料方面的博士后研究工作。2016.09人才引进加入福州大学材料学院，入选福建省闽江学者、福建省引进高层次人才B类人才。研究领域为氢能及燃料电池，致力于研究氢能及燃料电池中的关键材料及技术等。课题组已经实现了Pt/C及Pt合金（Pt-M/C）催化剂批量化制备技术和工艺。在Nature Communications, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Nano Energy, Adv. Energy. Mater，Appl. Catal., B, ACS Catal.和Mater. Horiz.等学术刊物上发表SCI论文80余篇论文。
魏启亮，加拿大国立科学研究院博士，加拿大西蒙菲莎大学博士后，宁波工程学院微纳研究院副教授，先后入选市级、省级人才工程（SQ）。围绕电化学能量存储/转换特性研究，以一作和通讯作者在Mater. Sci. Eng. R: Rep., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Carbon Energy, Appl. Catal. B等国际权威期刊发表SCI学术论文80余篇，论文他引4500余次，H-index为37。撰写国际英文专著4章节。获评加拿大魁北克FRQNT等奖励和荣誉7项，是Nat. Commun.、Angew等权威杂志审稿人，并多次荣获“优秀审稿人”。主持国家自然科学基金面上等项目7项。
钟俊，苏州大学教授。2002年获清华大学工学学士学位；2007年获中国科学院高能物理研究所凝聚态物理博士学位；2006.3－2007.4在美国劳伦斯-伯克利国家实验室ALS光源进行合作交流。2008.1－2010.8在中国科学院高能物理研究所任助理研究员；2010.9加入苏州大学功能纳米与软物质（材料）研究院。致力于同步辐射谱学技术的发展及其在能源材料中的应用。主持建设了合肥光源首条同步辐射原位软X射线谱学线站（1280万元），发展了多种原位实验装置，并基于谱学对光、电催化分解水，二氧化碳还原，以及化学储氢、释氢等能源催化过程进行了深入研究，设计发展出了多种高效、稳定、廉价的催化剂。累计发表SCI论文200余篇，其中第一作者/通讯作者论文90余篇，包括Nat.Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等。论文SCI他引16000余次, H因子61。授权中国发明专利6项。合作发表的Science论文入选“2015年度中国科学十大进展”。任上海光源、北京光源、合肥光源多个线站专家组成员。主持国家自然科学基金重点项目一项，面上/培育项目三项，青年基金一项，主持科技部重点研发计划课题一项。入选2022年度科睿唯安“全球高被引科学家”。入选2018年度教育部“长江学者奖励计划”青年学者。
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