酸蚀刻低铂高熵合金在碱性析氢反应中的活性显著提升及其多活性位点协同机制研究

针对碱性析氢反应(HER)中贵金属催化剂成本高、活性不足的问题，研究人员通过电弧熔炼结合酸蚀刻技术，设计了一种低铂(Pt)含量的Nb35 V30 Mo10 Cu10 Pt15 高熵合金(HEA)催化剂。该催化剂在1.0 M KOH中表现出28 mV的超低过电位和40.9 mV dec?1 的塔菲尔斜率，性能媲美商用Pt/C。研究揭示了多元素协同作用降低H-OH键解离能垒的机制，为开发高效碱性HER催化剂提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型，氢能因其高能量密度和零碳排放特性成为最具前景的清洁能源之一。电催化水分解制氢技术因其经济可持续性备受关注，但碱性条件下析氢反应(HER)动力学缓慢、过电位高等问题严重制约其发展。传统铂基催化剂虽活性优异，但高昂的成本和碱性环境中的稳定性不足限制了大规模应用。高熵合金(HEA)因其可调的催化活性、多元素协同效应和熵稳定特性，为设计新型HER催化剂提供了可能。然而，HEA庞大的元素组合空间和活性位点不明确等问题，使得高效碱性HER催化剂的开发仍面临挑战。

为解决上述问题，国内某研究机构团队在《Next Materials》发表研究，通过电弧熔炼结合酸蚀刻技术，成功制备了低铂含量的Nb₃₅
V₃₀
Mo₁₀
Cu₁₀
Pt₁₅
高熵合金催化剂。该研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料结构，通过电化学测试评估HER性能，并利用密度泛函理论(DFT)计算阐明了活性增强机制。

2.1 制备与结构表征
通过电弧熔炼法制备的HEA经10分钟HF酸蚀刻后，清除了杂质相并形成疏松表面结构。XRD显示其保持立方相结构(Pm-3n空间群)，酸蚀后晶格常数从5.015 ?微增至5.018 ?。SEM显示酸蚀表面出现超细颗粒，BET测试显示其具有1.91 m²
/g的比表面积和21.7 nm的平均介孔尺寸，有利于质量传输。EDS和ICP-OES证实酸蚀选择性去除V/Nb元素，使Pt表面含量从15%提升至22.01%，同时维持高熵构型(ΔS=1.55 R)。

2.2 表面化学价态
XPS分析表明，酸蚀后零价态Pt⁰
和Cu⁰
比例显著增加，Mo/Nb/V元素的结合能负移，O1s谱中M-OH和M-O物种轻微正移，表明酸蚀增强了电子杂化效应。

2.3 碱性HER性能
在1.0 M KOH中，酸蚀HEA表现出28 mV@10 mA cm^?2
的超低过电位和40.9 mV dec^?1
的塔菲尔斜率，优于初始HEA(151 mV, 195.5 mV dec^?1
)且接近商用Pt/C。电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻更低，双电层电容(C_dl
)达3.84 mF cm^?2
，表明活性表面积增加。稳定性测试显示其在10/20 mA cm^?2
电流密度下连续工作72小时后过电位仅增至61 mV。

2.4 密度泛函理论计算
DFT计算揭示Pt 5d和Cu 3d轨道主导费米能级(E_F
)下方能带，而Nb 4d、V 3d和Mo 4d轨道调控E_F
附近电子分布。Pt位点具有最优氢吸附自由能(ΔG_H*
=-0.083 eV)，而Nb/V位点强化OH吸附，Mo位点(-0.62 eV)实现快速OH脱附。多活性位点协同使H-OH键解离能垒降至0.39 eV，仅为纯Pt表面(0.92 eV)的1/3。

讨论与结论
该研究创新性地通过酸蚀刻调控HEA表面组成，在保持体相高熵特性的同时暴露Pt活性位点。多元素协同不仅优化了电子结构，还通过V/Nb促进水分子解离、Pt加速H脱附、Mo调节OH吸附，实现了碱性HER全过程的高效催化。相比传统纳米HEA催化剂，该微米级材料通过简单的体相制备与表面改性即达到优异性能，为低成本、规模化生产高效HER催化剂提供了新范式。研究结果发表于《Next Materials》，对推动非贵金属催化剂设计和可再生能源转化技术发展具有重要意义。