面向工业级水分解的二维多金属高熵氧化物催化剂开发与应用

《International Journal of Hydrogen Energy》：Industrial robust 2D multimetallic high-entropy oxides for water splitting

本综述创新性地提出了一种通用浸渍-电化学氧化策略，可在米级导电基底上实现二维高熵氧化物（HEO）纳米结构的超快速（<10分钟）规模化制备。研究表明FeCoNiMoMn/NF HEO催化剂在工业级电流密度（1 A cm?2）和苛刻条件（85°C，30% KOH）下具有200小时持续运行的卓越稳定性，其质量活性达到商业IrO2的24倍（267.38 A/g），过电位降低87 mV（240 mV@100 mA cm?2），生产成本仅为基准催化剂的0.1%。该研究为设计低成本电催化组件提供了材料遗传学框架，填补了实验室研发与吉瓦级制氢产业化之间的技术鸿沟。

　　

Highlight

本研究通过浸渍-电化学氧化策略，在米级导电基底上实现了二维高熵氧化物（HEO）纳米结构的超快速（<10分钟）规模化制备。FeCoNiMoMn/NF HEO催化剂展现出卓越的成本效益比，生产成本仅为基准IrO₂的0.1%，同时质量活性提升24倍（267.38 A/g vs. 11.32 A/g @ 250 mV），过电位降低87 mV（240 vs. 327 mV @ 100 mA cm^?2）。该催化剂在工业级苛刻条件（30% KOH，85°C）下以1 A cm^?2的电流密度稳定运行200小时，400 cm²原型器件表现出优异的空间均匀性（性能偏差<2%）。这种基底集成HEO体系为设计经济型电催化组件建立了材料遗传学框架，成功连接了实验室发现与吉瓦级制氢产业化之间的关键桥梁。

Material preparation

实验所用化学试剂包括Fe(NO₃)₃·9H₂O（98.5%）、Co(NO₃)₂·6H₂O（99.99%）、Ni(NO₃)₂·6H₂O（98%）、(NH₄)₂MoO₄·6H₂O（分析纯）、Mn(NO₃)₂·4H₂O（98%）及商业IrO₂，均购自阿拉丁化学试剂有限公司。所有溶液均采用去离子水（电阻率18 MΩ cm^?1）配制，试剂未经纯化直接使用。泡沫镍（NF）经0.5 M H₂SO₄浸泡30分钟后，用去离子水和乙醇各冲洗三次，60°C烘干备用。

Conclusions

本研究通过浸渍-电化学氧化法成功合成了二维层状FeCoNi基高熵氧化物（HEO）析氧反应催化剂。FeCoNiMoMn/NF HEO表现出显著增强的催化活性和优异的长期稳定性。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析证实，二维高熵层状结构成功生长在泡沫镍基底上，这种结构不仅促进了电子的快速传输，还增强了催化剂的稳定性。