1. 背景电解水制氢被认为是连接可再生电力与绿色氢能的重要路径但析氢反应HER与析氧反应OER动力学缓慢尤其在安培级大电流密度下对催化剂的活性、导电性、抗腐蚀能力和界面稳定性提出了更高要求。传统贵金属催化剂成本高、储量有限过渡金属催化剂又常面临活性不足和长期服役衰减问题。高熵合金因多元素协同、高熵稳定、晶格畸变和丰富活性位点受到关注而碳热冲击法能够在极短时间内实现多金属前驱体快速合金化为低贵金属用量、高稳定性双功能电解水催化剂提供了新的制备思路。2. 论文概要本文采用碳热冲击策略在碳布载体上快速制备约10 nm的FeCoNiCrPt高熵合金纳米颗粒。实验中碳布先浸渍Fe、Co、Ni、Cr、Pt盐溶液并干燥再于Ar气氛下进行焦耳热冲击处理论文实验部分明确给出焦耳加热装置为合肥原位科技CIS-JH-V4.0.0冲击时间为1 s冲击电流为400 A冲击温度为1100 ℃。所得FeCoNiCrPt在1 mol L-1 KOH中表现出优异双功能催化性能HER在10 mA cm-2下过电位仅34 mV在100和1000 mA cm-2下分别为89和250 mVOER在100和1000 mA cm-2下过电位分别为264和359 mV。以FeCoNiCrPt同时作为阴极和阳极组装全解水体系仅需1.53 V即可达到10 mA cm-2并可稳定运行超过100 h在1000 mA cm-2下亦可运行40 h显示出面向高电流密度电解水的应用潜力。3. 图文解读图1 FeCoNiCrPt高熵合金纳米颗粒的形貌、晶格与元素分布图1从形貌和微区结构证明碳热冲击可在碳布纤维表面实现高密度、均匀负载的FeCoNiCrPt纳米颗粒。HRTEM显示颗粒具备清晰晶格条纹0.127 nm晶面间距对应fcc结构220晶面SAED可识别fcc相相关衍射环FFT/IFFT揭示晶格畸变和位错缺陷。HAADF-STEM及元素映射显示Fe、Co、Ni、Cr、Pt在颗粒中分布均匀说明秒级热冲击促进了多元素快速混合并抑制明显偏析。图2 FeCoNiCrPt的晶体结构与表面化学状态图2显示样品在42.4°、49.1°和71.8°附近出现fcc结构111、200和220晶面衍射峰25.8°峰来自碳布基底说明FeCoNiCrPt形成了面心立方固溶体结构。XPS进一步表明Fe、Co、Ni、Cr、Pt同时存在金属态与氧化态信号指向“合金内核表面轻度氧化/羟基化”的结构特征这种表面状态有利于在碱性电解环境中形成可参与反应的动态界面。图3 FeCoNiCrPt在碱性介质中的HER/OER与全解水性能图3系统比较了FeCoNi、FeCoNiCr、FeCoNiPt和FeCoNiCrPt的电化学表现五元FeCoNiCrPt在HER、OER和全解水中均表现最优。HER方面其10 mA cm-2过电位为34 mVTafel斜率为40.1 mV dec-1电荷转移电阻为2.5 ΩOER方面在100 mA cm-2下过电位为264 mV并具有较大的电化学活性面积。全解水测试中FeCoNiCrPt//FeCoNiCrPt电极对在10和1000 mA cm-2下所需电压分别为1.53和3.26 V且在10 mA cm-2下运行100 h后过电势仅衰减1.3%体现出高活性与高稳定性的协同。图4 全解水稳定性测试后的结构保持与表面重构图4聚焦稳定性来源经过全解水长期测试后阴极和阳极催化剂仍保持原有形貌XRD未出现新的明显衍射峰说明高熵合金主体结构保持稳定。XPS则显示表面金属态信号发生变化并形成混合金属氧化物/羟基氧化物层该重构层一方面抑制碱性电解液对合金内核的进一步腐蚀另一方面依托内核高导电性维持电子传输是FeCoNiCrPt实现长时稳定运行的重要原因。图5 HER/OER过程中的原位拉曼和红外机制证据图5通过拉曼和红外光谱追踪反应中间体演化。HER过程中Pt-H相关信号随阴极电位变化呈现先增强后减弱支持Pt活性位点参与Volmer-Heyrovsky路径界面水分子信号增强说明H2O参与Volmer步骤并提供质子来源。OER过程中M-O、M-OOH及*OOH相关信号的动态变化表明催化剂表面发生氧化/羟基化重构多金属协同有助于稳定金属-氧骨架并调控*OOH中间体吸附从而降低双功能反应能垒。4. 总结展望这项工作展示了碳热冲击法在高熵合金电解水催化剂制备中的效率优势1 s、1100 ℃的瞬态热过程即可在碳布上构筑均匀分散的FeCoNiCrPt纳米颗粒并通过晶格畸变、位错缺陷、多金属协同和服役过程中的保护性表面重构实现高活性、安培级电流响应与长时稳定性。面向后续应用该策略仍需进一步优化贵金属用量、颗粒尺寸分布、负载量一致性以及大面积电极制备可重复性若能与连续化热冲击设备、膜电极结构设计和实际电解槽工况验证结合将有望推动高熵合金催化剂从实验室高性能样品走向更具工程意义的绿色制氢电极。文献信息顾雨彤、王雪倩、姜顺达、杨绎原、贾喆、沈宝龙《多主元合金熵工程调控实现安培级全解水》稀有金属材料与工程202655(9)2298-2305。DOI10.12442/j.issn.1002-185X.20250496