应用成果

DOI：10.1002/adfm.202517862

全文概述

本文通过超快焦耳加热技术成功合成Janus结构的高熵合金-碳化钼异相催化剂（HEA-Mo₂C），并在碱性海水电解中展现出优异的析氧反应活性和抗氯离子腐蚀性能。该催化剂在运行过程中通过动态界面重构形成MoO₄²⁻保护层，有效排斥Cl⁻侵蚀，提升选择性与稳定性。在AEMWE电解槽中，该催化剂在1 A cm⁻²下仅需1.96 V电压，并在500 mA cm⁻²下稳定运行超过1000小时，展现出工业级应用潜力。

文章亮点

（1）创新结构设计：采用Janus异相结构，HEA与Mo₂C两相协同，，通过双相协同实现“催化活性-抗腐蚀性能”的平衡，解决海水电解中催化剂稳定性与选择性难题。

（2）高效抗腐蚀机制：Mo₂C在电解中溶解生成MoO₄²⁻，形成静电排斥层，有效阻挡Cl⁻侵蚀。

（3）优异电催化性能：在碱性海水中仅需333 mV过电位即可达到500 mA cm⁻²，OER选择性接近100%。

（4）工业级稳定性：在AEMWE中实现1000小时以上稳定运行，远超商业催化剂。

（5）快速合成工艺：采用闪速焦耳热法，30 秒即可完成前驱体热解与异相结构构建，兼顾高效性与规模化制备可行性。

图文解析

图1：材料结构与形貌表征

图（a）XRD图谱对比HEA-Mo₂C、HEA及NiFeCoCu合金的晶体结构，HEA-Mo₂C同时出现HEA和Mo₂C的特征衍射峰，证实双相共存。图（b-c）HAADF-STEM图像展示Janus粒子的双相结构，存在明显的相界面，呈现“半合金半碳化物”的对称分布特征。图（d）结构示意图呈现HEA-Mo₂C的Janus异相结构，左侧为高熵合金相，右侧为碳化钼相，两相紧密结合形成异质结构。图（e-g）原子尺度HAADF-STEM图显示，测得晶格间距0.254 nm对应 Mo₂C（002）晶面，0.186 nm对应HEA（100）晶面，验证双相的晶体结构完整性。图（h-i）EDX元素mapping显示，Ni、Fe、Co、Cu均匀分布于HEA相，Mo主要富集于Mo₂C相。

图 2：电催化性能评估

图（a）HEA-Mo₂C 的极化曲线显著左移，在相同电位下电流密度远超HEA、NiFeCoCu合金，表明其OER活性最优。图（b）为不同电流密度下的过电位，HEA-Mo₂C在500 mA cm⁻²下为333 mV，远低于对比样品，体现高电流密度下的低能耗优势。图（c）HEA-Mo₂C的塔菲尔斜率小于HEA和NiFeCoCu，具有更快的反应动力学。图（d）质量活性与比活性显示，HEA-Mo₂C显著优于RuO₂与NiFeCoCu。图（e）抗腐蚀性能测试显示，HEA-Mo₂C的腐蚀电位高于HEA和NiFeCoCu，表明其腐蚀倾向更低，抗氯腐蚀能力更强。图（f-h）法拉第效率与长时间稳定性测试显示，HEA-Mo₂C在苛刻条件下仍保持高效稳定。

图3：动态重构机制研究

图（a）原位拉曼光谱显示随反应时间延长，MoOₓ特征峰（815 cm⁻¹）逐渐消失，MoO₄²⁻特征峰（905 cm⁻¹）逐渐增强，证实Mo₂C原位氧化生成防腐蚀物种。图（b）重构示意图展示HEA-Mo₂C的电化学重构过程，Mo₂C溶解生成MoO₄²⁻，HEA表面形成高熵（氧）氢氧化物，二者通过静电作用形成保护层。图（c-e）稳定性测试后催化剂形貌与元素分布，形成核壳结构。图（f-h）XPS与XAS分析表明，Mo被氧化为Mo⁶⁺，Ni、Fe 金属态信号减弱，氧化态信号增强。图（i-k）XANES/EXAFS光谱结果显示， HEA核心保留金属态特征，Mo以Mo-O配位为主，进一步验证重构后结构与成分变化。

图4：抗腐蚀机制与选择性研究

图（a-b）原位FT-IR显示HEA-Mo₂C表面OOH与OH吸附更强。图（c）甲醇氧化实验显示，加入甲醇后，HEA-Mo₂C 的电流差值更大，证实其表面*OH 吸附量更高，MoO₄²⁻有效排斥Cl⁻并促进OH⁻扩散。图（d）MD 模拟显示，MD模拟显示MoO₄²⁻层有效排斥Cl⁻，促进OH⁻扩散，提升OER选择性。图（e-f）离子分布统计显示，HEA-Mo₂C表面Cl⁻浓度较NiFeCoCu降低近50%，OH⁻更易靠近电极表面，证实MoO₄²⁻的氯离子排斥效应。图（g）抗腐蚀机制示意图显示，MoO₄²⁻形成阴离子保护层，通过静电排斥阻止Cl⁻接触催化剂表面，同时促进OH⁻扩散，兼顾抗腐蚀性与催化活性。

图5：AEMWE装置的实际应用性能

图（a）装置示意图展示AEMWE结构，以HEA-Mo₂C为阳极（OER催化剂），Pt/C为阴极（HER催化剂），采用阴离子交换膜分隔电解液。图（b-c）HEA-Mo₂C || Pt/C电解槽在1 A cm⁻²下仅需1.96 V，性能优于RuO₂。图（d-e）结果显示，在500 mA cm⁻²下稳定运行1000小时以上，法拉第效率高达94%。图（f）性能对比显示，与文献对比，HEA-Mo₂C||Pt/C体系在槽压和稳定性上均处于领先水平，具备工业应用优势。

总结展望

本研究，成功合成了Janus结构HEA-Mo₂C催化剂，创新性地利用Mo₂C原位氧化生成的MoO₄²⁻构建Cl⁻排斥屏障，同时借助 HEA的高熵效应抑制金属浸出，有效解决了海水电解中催化剂腐蚀与选择性难题。该催化剂不仅展现出优异的OER活性、稳定性和选择性，其基于超快焦耳热的快速合成工艺与AEMWE装置的高效稳定运行，验证了工业化应用潜力。未来研究可进一步优化调控HEA元素组成与Mo₂C含量，提升催化活性与抗腐蚀性能；拓展该异相结构设计策略至其他电解体系（如酸性海水、淡水电解）；开发更大规模的合成工艺，降低制备成本。该工作为海水电解催化剂的设计提供了新范式，推动绿色氢能生产向低成本、规模化方向发展。

通讯作者简介

李爽，四川大学特聘研究员，博导，入选海外高层次人才引进计划，四川大学“双百”人才工程。长期致力于高分子基杂化材料及其衍生的电化学催化剂的制备、精确结构调控，特别是针对配位聚合杂化材料前驱体的设计及多级结构调控等问题，开发了多种高分子基杂化前驱体，制备出一系列高性能杂化催化材料，取得了多项重要研究成果。在国际知名期刊上共发表论文80余篇（引用8000余次，H-index 43）。其中以第一和通讯作者身份在Nat. Mater., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等材料学科权威期刊上发表论文30余篇（多篇入选ESI高被引），撰写英文专著2章，授权欧洲发明专利、国际发明专利、中国发明专利多项。主持自然科学基金委面上项目、海外优青项目、德国DFG研究基金，柏林工业大学博士后基金等多项项目。担任SusMat、Exploration、Carbon Neutralization等期刊青年编委。曾获上海市优秀硕士学位论文, “国家优秀自费留学生奖”，留德华人化学化工学会“青年化学奖”等。

王毅，南京航空航天大学教授、博导，分析测试中心主任，航空航天结构力学及控制全国重点实验室固定研究人员。入选国家优秀青年科学基金（海外）、江苏省杰出青年基金和江苏省特聘教授。2012年毕业于法国国家科学研究中心-下诺曼底卡昂大学获凝聚态物理博士学位，同年获获国家优秀自费留学生奖。2013-2021年在德国马普固态研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）从事透射电子显微学研究，历任博士后、终身职位研究员、高级研究员和课题组组长。研究方向为球差校正（扫描）透射电子显微镜、电子能量损失谱、4D-STEM等技术开发，及其在功能材料中的应用。在Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials, Nano Letters, Ultramicroscopy等材料、电镜领域顶级期刊发表论文100余篇，多篇论文入选ESI高被引论文，授权/申请国家专利10余项，授权软件著作权5项。应邀担任欧盟地平线、法国国家科研署和智利国家科技发展（Fondecyt）基金项目评审。

本文使用的焦耳加热装置由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持与认可！