DOI：10.1002/adfm.202517862

全文概述

本文通過超快焦耳加熱技術成功合成Janus結構的高熵合金-碳化鉬異相催化劑（HEA-Mo?C），并在堿性海水電解中展現出優異的析氧反應活性和抗氯離子腐蝕性能。該催化劑在運行過程中通過動態界面重構形成MoO?2?保護層，有效排斥Cl?侵蝕，提升選擇性與穩定性。在AEMWE電解槽中，該催化劑在1 A cm?2下僅需1.96 V電壓，并在500 mA cm?2下穩定運行超過1000小時，展現出工業級應用潛力。

文章亮點

（1）創新結構設計：采用Janus異相結構，HEA與Mo?C兩相協同，，通過雙相協同實現“催化活性-抗腐蝕性能”的平衡，解決海水電解中催化劑穩定性與選擇性難題。

（2）高效抗腐蝕機制：Mo?C在電解中溶解生成MoO?2?，形成靜電排斥層，有效阻擋Cl?侵蝕。

（3）優異電催化性能：在堿性海水中僅需333 mV過電位即可達到500 mA cm?2，OER選擇性接近100%。

（4）工業級穩定性：在AEMWE中實現1000小時以上穩定運行，遠超商業催化劑。

（5）快速合成工藝：采用閃速焦耳熱法，30 秒即可完成前驅體熱解與異相結構構建，兼顧高效性與規模化制備可行性。

圖文解析

圖1：材料結構與形貌表征

圖（a）XRD圖譜對比HEA-Mo?C、HEA及NiFeCoCu合金的晶體結構，HEA-Mo?C同時出現HEA和Mo?C的特征衍射峰，證實雙相共存。圖（b-c）HAADF-STEM圖像展示Janus粒子的雙相結構，存在明顯的相界面，呈現“半合金半碳化物”的對稱分布特征。圖（d）結構示意圖呈現HEA-Mo?C的Janus異相結構，左側為高熵合金相，右側為碳化鉬相，兩相緊密結合形成異質結構。圖（e-g）原子尺度HAADF-STEM圖顯示，測得晶格間距0.254 nm對應 Mo?C（002）晶面，0.186 nm對應HEA（100）晶面，驗證雙相的晶體結構完整性。圖（h-i）EDX元素mapping顯示，Ni、Fe、Co、Cu均勻分布于HEA相，Mo主要富集于Mo?C相。

圖 2：電催化性能評估

圖（a）HEA-Mo?C 的極化曲線顯著左移，在相同電位下電流密度遠超HEA、NiFeCoCu合金，表明其OER活性最優。圖（b）為不同電流密度下的過電位，HEA-Mo?C在500 mA cm?2下為333 mV，遠低于對比樣品，體現高電流密度下的低能耗優勢。圖（c）HEA-Mo?C的塔菲爾斜率小于HEA和NiFeCoCu，具有更快的反應動力學。圖（d）質量活性與比活性顯示，HEA-Mo?C顯著優于RuO?與NiFeCoCu。圖（e）抗腐蝕性能測試顯示，HEA-Mo?C的腐蝕電位高于HEA和NiFeCoCu，表明其腐蝕傾向更低，抗氯腐蝕能力更強。圖（f-h）法拉第效率與長時間穩定性測試顯示，HEA-Mo?C在苛刻條件下仍保持高效穩定。

圖3：動態重構機制研究

圖（a）原位拉曼光譜顯示隨反應時間延長，MoO?特征峰（815 cm?1）逐漸消失，MoO?2?特征峰（905 cm?1）逐漸增強，證實Mo?C原位氧化生成防腐蝕物種。圖（b）重構示意圖展示HEA-Mo?C的電化學重構過程，Mo?C溶解生成MoO?2?，HEA表面形成高熵（氧）氫氧化物，二者通過靜電作用形成保護層。圖（c-e）穩定性測試后催化劑形貌與元素分布，形成核殼結構。圖（f-h）XPS與XAS分析表明，Mo被氧化為Mo??，Ni、Fe 金屬態信號減弱，氧化態信號增強。圖（i-k）XANES/EXAFS光譜結果顯示， HEA核心保留金屬態特征，Mo以Mo-O配位為主，進一步驗證重構后結構與成分變化。

圖4：抗腐蝕機制與選擇性研究

圖（a-b）原位FT-IR顯示HEA-Mo?C表面OOH與OH吸附更強。圖（c）甲醇氧化實驗顯示，加入甲醇后，HEA-Mo?C 的電流差值更大，證實其表面*OH 吸附量更高，MoO?2?有效排斥Cl?并促進OH?擴散。圖（d）MD 模擬顯示，MD模擬顯示MoO?2?層有效排斥Cl?，促進OH?擴散，提升OER選擇性。圖（e-f）離子分布統計顯示，HEA-Mo?C表面Cl?濃度較NiFeCoCu降低近50%，OH?更易靠近電極表面，證實MoO?2?的氯離子排斥效應。圖（g）抗腐蝕機制示意圖顯示，MoO?2?形成陰離子保護層，通過靜電排斥阻止Cl?接觸催化劑表面，同時促進OH?擴散，兼顧抗腐蝕性與催化活性。

圖5：AEMWE裝置的實際應用性能

圖（a）裝置示意圖展示AEMWE結構，以HEA-Mo?C為陽極（OER催化劑），Pt/C為陰極（HER催化劑），采用陰離子交換膜分隔電解液。圖（b-c）HEA-Mo?C || Pt/C電解槽在1 A cm?2下僅需1.96 V，性能優于RuO?。圖（d-e）結果顯示，在500 mA cm?2下穩定運行1000小時以上，法拉第效率高達94%。圖（f）性能對比顯示，與文獻對比，HEA-Mo?C||Pt/C體系在槽壓和穩定性上均處于領先水平，具備工業應用優勢。

總結展望

本研究，成功合成了Janus結構HEA-Mo?C催化劑，創新性地利用Mo?C原位氧化生成的MoO?2?構建Cl?排斥屏障，同時借助 HEA的高熵效應抑制金屬浸出，有效解決了海水電解中催化劑腐蝕與選擇性難題。該催化劑不僅展現出優異的OER活性、穩定性和選擇性，其基于超快焦耳熱的快速合成工藝與AEMWE裝置的高效穩定運行，驗證了工業化應用潛力。未來研究可進一步優化調控HEA元素組成與Mo?C含量，提升催化活性與抗腐蝕性能；拓展該異相結構設計策略至其他電解體系（如酸性海水、淡水電解）；開發更大規模的合成工藝，降低制備成本。該工作為海水電解催化劑的設計提供了新范式，推動綠色氫能生產向低成本、規模化方向發展。

通訊作者簡介

李爽，四川大學特聘研究員，博導，入選海外高層次人才引進計劃，四川大學“雙百”人才工程。長期致力于高分子基雜化材料及其衍生的電化學催化劑的制備、精確結構調控，特別是針對配位聚合雜化材料前驅體的設計及多級結構調控等問題，開發了多種高分子基雜化前驅體，制備出一系列高性能雜化催化材料，取得了多項重要研究成果。在國際知名期刊上共發表論文80余篇（引用8000余次，H-index 43）。其中以第一和通訊作者身份在Nat. Mater., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等材料學科權威期刊上發表論文30余篇（多篇入選ESI高被引），撰寫英文專著2章，授權歐洲發明專利、國際發明專利、中國發明專利多項。主持自然科學基金委面上項目、海外優青項目、德國DFG研究基金，柏林工業大學博士后基金等多項項目。擔任SusMat、Exploration、Carbon Neutralization等期刊青年編委。曾獲上海市優秀碩士學位論文, “國家優秀自費留學生獎”，留德華人化學化工學會“青年化學獎”等。

王毅，南京航空航天大學教授、博導，分析測試中心主任，航空航天結構力學及控制全國重點實驗室固定研究人員。入選國家優秀青年科學基金（海外）、江蘇省杰出青年基金和江蘇省特聘教授。2012年畢業于法國國家科學研究中心-下諾曼底卡昂大學獲凝聚態物理博士學位，同年獲獲國家優秀自費留學生獎。2013-2021年在德國馬普固態研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）從事透射電子顯微學研究，歷任博士后、終身職位研究員、高級研究員和課題組組長。研究方向為球差校正（掃描）透射電子顯微鏡、電子能量損失譜、4D-STEM等技術開發，及其在功能材料中的應用。在Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials, Nano Letters, Ultramicroscopy等材料、電鏡領域頂級期刊發表論文100余篇，多篇論文入選ESI高被引論文，授權/申請國家專利10余項，授權軟件著作權5項。應邀擔任歐盟地平線、法國國家科研署和智利國家科技發展（Fondecyt）基金項目評審。

本文使用的焦耳加熱裝置由合肥原位科技有限公司研發，感謝老師支持與認可！

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設備，該設備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質等領域。