自重构非晶高熵氧化物实现CO2-零排放甲醇电重整与氢能高效转化

为解决传统甲醇制氢过程高能耗、CO2排放及催化剂易失活等问题，研究人员开发了非晶高熵氧化物（a-HEO）电极材料a-FeCoNiMnMoO/NF，通过电化学自重构形成富含氧空位的羟基氧化物活性层，在0.54 V超低电压下实现10 mA cm-2的稳定产氢（300小时）与甲酸盐联产，为碳中性氢能转化提供了新策略。

　　

在全球能源转型背景下，氢能（H₂）因其零碳排放特性成为替代化石燃料的理想选择。然而，传统甲醇蒸汽重整制氢需高温高压条件，伴随大量CO₂排放和催化剂失活问题。更棘手的是，现有氢能技术面临储存运输成本高、能量密度不足等瓶颈。如何实现温和条件下甲醇高效制氢，同时避免碳足迹，成为能源化学领域的重大挑战。

中国科学院海西研究院（Haixi Institutes, Chinese Academy of Sciences）的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表突破性成果。他们通过原位生长法制备了非晶高熵氧化物（amorphous high-entropy oxide, a-HEO）电极a-FeCoNiMnMoO/NF，利用其结构无序性和多元素协同效应，实现了CO₂-零排放的甲醇电重整与氢能联产。该工作融合机器学习势场模拟与先进表征技术，揭示了非晶材料动态重构的催化机制。

关键技术包括：1）水热法合成泡沫镍负载的非晶高熵氧化物纳米片；2）原位拉曼光谱追踪电化学活化过程中的表面重构；3）混合酸/碱流动电解槽系统性能测试；4）基于机器学习势的催化位点电子结构模拟。

【材料表征】XRD和TEM证实材料呈非晶态（图1a），XPS显示多金属协同电子调控。EXAFS分析表明短程有序的金属-氧配位环境（图S3）。

【电化学性能】a-FeCoNiMnMoO/NF在1.37 V vs. RHE即可达到50 mA cm^-2电流密度，较晶态材料降低320 mV（图2c）。原位拉曼证实反应中形成M-OOH^*活性物种（*代表活性位点），氧空位浓度提升2.3倍（图3d）。

【机制研究】机器学习模拟揭示非晶羟基氧化物层存在三类活性位点：1）Mn³⁺-O_v（氧空位）促进甲醇吸附；2）Co⁴⁺调控d带中心优化中间体结合能；3）Mo⁶⁺加速电荷转移（图4f）。

【电解槽应用】构建的混合电解槽在0.54 V超低电压下稳定运行300小时，法拉第效率（FE）超90%，每立方米H₂能耗仅3.2 kWh（图5b）。

该研究开创性地将非晶材料的结构柔性与高熵体系的"鸡尾酒效应"（cocktail effect）结合，通过动态表面重构实现持续自优化催化。其意义在于：1）提出"非晶高熵协同"催化设计新范式；2）开发迄今最低电耗的甲醇制氢系统；3）为碳中和目标下氢能-化学品联产提供工业化解决方案。正如通讯作者Zhenhai Wen强调的，这种无序结构与多元复杂性的协同作用，为下一代能源催化材料指明了方向。