铁调控高熵合金工程显著提升碱性析氧反应性能

本研究针对电解水制氢中阳极氧析出反应(OER)动力学缓慢的问题，通过一步电沉积法在泡沫镍上构建了具有花椰菜状形貌的高熵合金FeCoNiZnP催化剂。该催化剂在碱性条件下展现出卓越的OER活性（过电位226/278 mV@10/100 mA cm?2，塔菲尔斜率30 mV dec?1）和700小时稳定性，通过铁元素调控电子结构实现多元素协同效应，为高性能非贵金属催化剂设计提供了新范式。

　　

随着全球对清洁能源需求的激增，电解水制氢技术因其零碳排放特性成为研究热点。然而，制约该技术发展的关键瓶颈在于阳极氧析出反应(OER)需要较高的过电位，其缓慢的四电子转移过程导致能量转换效率低下。虽然贵金属氧化物如RuO₂和IrO₂表现优异，但其稀缺性和高昂成本阻碍了大规模应用。近年来，由五种以上主元组成的高熵合金(HEA)因其独特的"鸡尾酒效应"和晶格畸变特性，在催化领域展现出巨大潜力，但关于特定元素（如铁）在高熵体系中的作用机制仍缺乏系统研究。

为解决这一科学问题，深圳大学的研究团队通过创新性的一步电沉积策略，在泡沫镍基底上成功制备了花椰菜状FeCoNiZnP高熵合金催化剂。该研究成果发表在《Journal of Colloid and Interface Science》上，揭示了铁元素在高熵体系中对OER性能的调控机制。研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)进行材料表征，结合电化学工作站测试催化性能，并通过密度泛函理论(DFT)计算阐明电子结构变化。

材料表征部分显示，FeCoNiZnP呈现典型的高熵合金单相结构，元素均匀分布形成丰富的活性位点。与对照组（FeCoNiP等）相比，引入Zn和P显著改善了材料导电性和比表面积。

电化学性能测试表明，优化后的催化剂在1 M KOH中仅需226 mV和278 mV过电位即可驱动10 mA cm^?2和100 mA cm^?2的电流密度，塔菲尔斜率低至30 mV dec^?1，优于商业RuO₂催化剂。加速耐久性测试后，催化剂在700小时高电流密度运行后仍保持初始形貌和元素组成。

机理研究通过DFT计算发现，铁元素的引入显著优化了d带中心位置，降低了氧中间体(*OOH)的吸附能垒。Fe与Co/Ni/Zn/P的协同作用产生电子再分配效应，加速了电荷转移速率。这种多元素协同效应通过熵稳定作用同时提升了催化活性和结构稳定性。

该研究建立了高熵合金催化剂"组成-结构-性能"的构效关系模型，证实铁元素在高熵体系中具有电子结构调制器的关键作用。提出的"一步电沉积"合成策略为大规模制备非贵金属OER催化剂提供了技术路线，其设计的催化剂在工业级电流密度(>500 mA cm^?2)下仍保持优异稳定性，对推进电解水制氢技术商业化具有重要指导意义。研究提出的高熵工程策略可拓展至其他多相催化体系，为新型多组分催化剂设计开辟了新方向。