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南京理工大学＂微爆炸＂造纳米反应器,280mV低过电位实现高效析氧催化

2026-04-10 04:29:38

2026年3月，南京理工大学朱贺/兰司、武汉理工大学余若瀚等在《Nano Research》期刊发表题为"Ultrafast-explosion-driven carbon nanoreactors embedding high-entropy alloy electrocatalysts for efficient oxygen evolution reaction"的研究论文。该研究提出了一种超快热爆炸策略，一步合成碳包覆纳米反应器均匀嵌入FeCoNiCuAl高熵合金纳米颗粒。该方法利用金属氯化物快速分解释放气体，将炭黑膨胀成层级多孔网络，同时实现HEA纳米颗粒的成核与限域。所得催化剂在10 mA cm⁻²电流密度下过电位仅280 mV，优于商业RuO₂，并在全解水和锌空气电池中展现出优异的实际应用潜力。

【研究背景】

1. 水分解制氢效率受限于OER动力学

电催化水分解是可持续制氢的重要途径，但阳极析氧反应（OER）涉及复杂的四电子转移过程，动力学缓慢，严重制约整体效率。

2. 高熵合金催化剂的优势与挑战

高熵合金（HEA）因多元素协同效应和可调的电子结构成为有前景的非贵金属OER催化剂，但如何同时实现高活性位点暴露和优化电子结构仍是难题。

3. 传统合成方法的局限性

现有液相合成或气相合金化方法往往缺乏对纳米颗粒分散性和催化剂-载体界面的精确控制，限制了活性位点密度和电子/质量传输效率。

4. 超快非平衡合成的潜力

碳热冲击（CTS）等超快高温合成方法可在极端非平衡条件下调控原子配位和电子结构，为设计高性能HEA催化剂提供了新思路。

【研究方法】

1. 超快热爆炸合成策略
采用碳热冲击（CTS）技术，将等摩尔Fe、Co、Ni、Cu、Al氯化物前驱体与炭黑混合，在氩气气氛下施加90 A/32 V脉冲电流，于毫秒时间内加热至约1273 K（升温速率~10³ K/s）。金属氯化物快速分解释放Cl₂等气体，引发"爆炸式"膨胀，一步形成层级多孔碳纳米反应器并均匀嵌入FeCoNiCuAl HEA纳米颗粒。
图1：加热前后样品台的照片
2. 多尺度结构表征
综合运用XRD、SEM、TEM、HAADF-STEM、EDS元素 mapping和三维电子断层扫描技术，系统分析材料的晶体结构、形貌特征、元素分布和孔隙结构。通过上海同步辐射光源BL13SSW线站进行同步辐射X射线全散射（PDF）和X射线吸收精细结构（XAFS）测试，深入解析局域原子配位和电子结构。
3. 电化学性能测试
在标准三电极体系（1 M KOH电解液）中测试OER性能，通过线性扫描伏安法（LSV）、循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和计时电位法评估催化活性、动力学行为和稳定性。组装全解水装置和可充电锌空气电池验证实际应用潜力。
4. 理论计算分析
采用密度泛函理论（DFT）计算，构建FeCoNiCuAl和FeCoNiCu的(111)表面模型，计算态密度（PDOS）、吸附能和吉布斯自由能图，揭示Al元素引入对电子结构和OER反应机理的影响。

【研究结果】

1. 成功构建了多级多孔结构的 HEA 纳米反应器

通过一步超快热冲击（CTS）策略，以金属氯化物和碳黑为原料，利用快速加热引发气体爆炸式释放，同步形成多级多孔碳骨架并原位生成均匀分散的 FeCoNiCuAl HEA 纳米颗粒（~7.4 nm）。三维重构证实空腔体积占比达 28%，形成了有利于传质和活性位点暴露的纳米反应器结构。

图2：材料合成与结构表征

图3：三维微观结构分析

2. Al 的引入显著提升了 OER 电催化活性

电化学测试表明，FeCoNiCuAl/C 在 10 mA·cm⁻² 下的过电位仅为 280 mV，优于商业 RuO₂（295 mV）和不含 Al 的 FeCoNiCu/C（300 mV）。其 Tafel 斜率更小（70.9 mV·dec⁻¹），双电层电容更高（20.2 mF·cm⁻²），表明 Al 的加入优化了反应动力学并增加了活性位点密度。