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南京航空航天大学/四川大学AFM:焦耳加热合成Janus结构HEA-Mo₂C异相催化剂实现高稳定海水电解

2026-04-02 10:55:28

利用海水电解规模化生产“绿氢”是应对能源危机与环境污染的关键路径之一，但该技术的发展长期受制于阳极材料的稳定性问题。海水中富含的氯离子不仅会引发严重的电极腐蚀，还会与目标反应——析氧反应（OER）竞争，显著降低制氢效率与催化剂寿命。尽管高熵合金等新材料在理论上具备优异的抗腐蚀性与结构稳定性，其在真实海水环境中仍面临活性下降与选择性不足的挑战。因此，开发一种能够在高电流密度下兼具高活性、高选择性及抗氯离子腐蚀能力的阳极材料，已成为推动海水电解技术实用化的迫切需求。

论文概要

2025年10月5日，南京航空航天大学王毅、四川大学李爽等在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Janus-Architected HEA-Mo2C Heterophase Catalysts with Self-Optimizing Interfaces for Efficient Alkaline Seawater Electrooxidation”的研究论文。本研究通过闪蒸焦耳加热技术，成功构建了一种具有Janus异相结构的高熵合金‐碳化钼复合催化剂。该设计巧妙利用Mo₂C在电解过程中的自发溶解行为，原位生成钼酸根离子并在高熵合金表面形成动态保护层，有效阻隔氯离子的侵蚀。实验表明，该催化剂在碱性海水电解中表现出优异的析氧活性与稳定性，仅需1.96 V电压即可实现1 A cm⁻²的工业级电流密度，并在500 mA cm⁻²下稳定运行超过1000小时。机理研究进一步揭示了其性能优势源于金属/碳化物界面在工况下的持续重构与自优化能力。该工作为设计适用于复杂介质环境的高效、稳定电解催化剂提供了新思路。

图文解读

本研究通过闪蒸焦耳加热技术，创新性地构建了具有Janus异相结构的高熵合金-碳化钼复合催化剂，以应对碱性海水电解中阳极材料的氯离子腐蚀与析氧反应选择性不足的难题。该设计的核心在于利用Mo₂C在电解过程中的自发溶解特性，原位生成钼酸根离子，进而通过静电作用吸附于高熵合金表面形成的（氧）氢氧化物层上，构筑动态阴离子保护层，有效阻隔氯离子的侵蚀并提升催化稳定性。

示意图 1 展示了HEA-Mo₂C的制备过程及其在电解条件下的自重构机制。通过闪蒸焦耳加热法快速处理金属有机框架前驱体，实现了高熵合金与碳化钼两相的有效分离与复合。该示意图进一步揭示了Mo₂C在碱性介质中溶解并转化为MoO₄²⁻的过程，以及其在HEA表面形成抗腐蚀保护层的动态行为，为理解催化剂的反应机制提供了清晰的图像依据。

图1 通过XRD与电子显微技术系统表征了HEA-Mo₂C的晶体结构与微观形貌。XRD图谱中可见Mo₂C与HEA两相的特征衍射峰，证实了异相结构的存在。高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像清晰显示出两相之间的界面边界，原子级分辨图像进一步揭示了Mo₂C与HEA各自的晶格条纹，其晶面间距分别对应于Mo₂C的（002）晶面与HEA的（100）晶面。元素分布 mapping 结果显示，Ni、Fe、Co、Cu等元素均匀分布于HEA区域，而Mo元素则主要富集于Mo₂C相区，充分验证了Janus双相结构的成功构建。

图2 评估了HEA-Mo₂C在碱性海水中的电催化析氧性能。线性扫描伏安曲线显示，HEA-Mo₂C在100 mA cm⁻²与500 mA cm⁻²电流密度下均表现出最低的过电位，显著优于对比样品。Tafel斜率分析表明其反应动力学更为迅速，而电荷转移电阻的降低进一步印证了其优异的电子传导能力。质量活性与比活性计算结果显示，HEA-Mo₂C在300 mV过电位下均远高于商用RuO₂及NiFeCoCu合金。此外，腐蚀电位测试表明HEA-Mo₂C具有更高的抗腐蚀倾向，法拉第效率测试显示其OER选择性接近100%，且在长达250小时的恒电流测试中性能衰减可忽略不计，展现了出色的耐久性。

图3 通过多种原位与原位后表征手段深入探究了HEA-Mo₂C在反应过程中的动态重构行为。时间分辨原位拉曼光谱揭示了Mo物种由初始的MoOₓ逐渐转化为MoO₄²⁻的过程，表明保护层的形成是一个动态演化的过程。反应后催化剂的TEM图像显示Mo₂C相部分溶解，形成了以HEA为核、非晶态（氧）氢氧化物为壳的核壳结构。XPS与XAS分析进一步证实了金属物种的氧化态变化以及Mo物种最终以Mo⁶⁺形式存在于表面，协同维持了保护层的稳定性与抗氯离子性能。

图4 结合原位傅里叶变换红外光谱与分子动力学模拟，揭示了HEA-Mo₂C高选择性的内在机制。原位FT-IR谱图中可见HEA-Mo₂C表面积累了更多的OH中间体，表明其更利于OER路径。甲醇探针实验进一步验证了其表面OH覆盖度更高。MD模拟结果直观显示，由于MoO₄²⁻层的静电排斥作用，HEA-Mo₂C电极表面的氯离子浓度显著降低，而OH⁻离子则因尺寸较小且能与催化剂表面形成氢键，更易扩散至反应界面，从而保证了OER的高效进行。

图5 展示了HEA-Mo₂C在实际阴离子交换膜电解池中的性能表现。在室温条件下，基于HEA-Mo₂C的电解池仅需1.96 V电压即可达到1 A cm⁻²的工业级电流密度，优于商用RuO₂基电解池。过电位分解分析表明，HEA-Mo₂C在动力学与传质过电位方面均具明显优势。此外，电解池在500 mA cm⁻²下连续运行1000小时后仍保持稳定，且在高温高盐的苛刻条件下仍能维持94%的氧析出法拉第效率，展现了其在真实海水电解环境中的广泛应用潜力。

总结展望

总之，本研究通过构建高熵合金-碳化钼双相Janus结构催化剂，提出了一种解决海水电解中氯腐蚀与催化稳定性矛盾的有效策略；基于Mo₂C相在电化学重构过程中的原位氧化行为，成功在催化活性相表面形成钼酸根阴离子保护层，通过静电排斥作用有效阻隔氯离子的侵蚀，从而同步实现了催化剂抗腐蚀性与反应选择性的显著提升。该设计使HEA-Mo₂C在碱性海水电解中表现出优异的催化性能，其在500 mA cm⁻²电流密度下的过电位低至333 mV，装配该催化剂的阴离子交换膜电解槽仅需1.96 V电压即可达到1 A cm⁻²的工业级电流密度，并在500 mA cm⁻²下稳定运行超过1000小时，展现出卓越的耐久性。这一工作不仅为设计适用于复杂介质环境的高性能电解催化剂提供了新的界面工程范式，也推动了高熵合金材料在可持续氢能领域的实际应用。未来可探索该策略在其他电催化体系中抗腐蚀-活性协同优化的普适性。

文献信息：Janus‐Architected HEA‐Mo 2 C Heterophase Catalysts with Self‐Optimizing Interfaces for Efficient Alkaline Seawater Electrooxidation. Junyu Wang;Chao He;Ruiyi Kang;Bowen Liu;Zhen Zhang;Yuxuan Kong;Zicheng Huang;Tian Ma;Mao Wang;Chong Cheng;Hao Wu;Yi Wang;Shuang Li. ISSN: 1616-301X , 1616-3028; DOI: 10.1002/adfm.202517862.Advanced functional materials. , 2025.

客户应用成果

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