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为解决电催化析氧反应（OER）活性低的问题，研究人员开展了高熵合金（HEAs）对 OER 活性影响的研究。结果表明，HEAs 可通过多路径电子协同激活晶格氧氧化机制（LOM），所设计的 NiFeCoCrW0.2 HEA 展现出优异活性与稳定性。这有助于推进高性能 OER 电催化剂的发展。
在能源领域，电催化析氧反应（Oxygen Evolution Reaction，OER）至关重要，它是水分解反应的关键步骤，也是众多能源转换系统中不可或缺的阳极过程。然而，OER 面临着高过电位和缓慢动力学的挑战，其低活性严重制约了相关能源技术的发展。传统的吸附质演化机制（Adsorbate Evolution Mechanism，AEM）存在理论过电位极限，而晶格氧氧化机制（Lattice Oxygen Oxidation Mechanism，LOM）虽被寄予厚望，但实现金属离子的深度氧化（高化合价态）面临巨大热力学障碍，同时维持高化合价态金属离子在复杂催化剂 - 电解质界面的稳定性也颇具挑战。为了突破这些困境，华中科技大学、湖北大学、中国科学院深圳先进技术研究院等机构的研究人员开展了关于高熵合金（High-Entropy Alloys，HEAs）对 OER 活性影响的研究 。他们发现 HEAs 能通过协同多路径电子转移有效激活 LOM，所设计的 NiFeCoCrW
0.2 HEA 在 10 mA cm
-2电流密度下过电位仅为 220 mV，在 100 mA cm
-2电流密度下，90 天内电位变化小于 5%，展现出良好的活性和稳定性。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为高性能 OER 电催化剂的发展提供了新方向。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是通过高真空弧熔炼炉制备合金；二是采用多种结构表征技术，如 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等对合金结构进行分析；三是利用电化学工作站进行电化学性能测试，包括线性扫描伏安法（LSV）、循环伏安法（CV）等；四是借助理论计算，如基于密度泛函理论（DFT）的计算来研究电子结构和反应机理。
研究结果
- 激活晶格氧设计原理：研究人员通过 DFT 计算研究了不同元素对 Ni - O 键结构的影响。发现添加 Fe、Co、Cr、W 原子会改变 3d 和 2p 带中心的能量差，影响金属 - 氧相互作用强度。随着元素的逐渐引入，AEM 和 LOM 反应途径中速率决定步骤（RDS）的能量垒逐渐降低，OER 机制从 AEM 向 LOM 转变，主要归因于 Ni 位点电子结构的微调以及较弱 Co - O 键的引入降低了 O - O 解吸的能量垒。
- 结构表征：制备的一系列合金均为面心立方（f.c.c.）结构的固溶体。经电化学活化后，NiFeCoCrW0.2形成多孔珊瑚状结构，有利于增加表面活性位点的可及性。多种表征技术分析表明，合金表面发生重构，元素分布均匀，且 NiFeCoCrW0.2中 3d 金属离子（Ni、Fe、Co）的价态较高，形成了更多低配位中心和氧空位。
- 电催化活性和稳定性：NiFeCoCrW0.2催化剂在 1 M KOH 溶液中表现出卓越的 OER 性能，达到 10 mA cm-2电流密度时过电位低至 0.22 V ，Tafel 斜率为 36.8 mV/dec，电荷转移电阻低，显示出快速的 OER 动力学。经过 3000 次 CV 循环和 90 天的连续电解，其催化性能稳定，具备良好的耐久性和自我修复性能。此外，该催化剂的 OER 活性对 pH 值有强烈依赖性，表明其遵循 LOM 机制。
- 中间体检测：利用原位拉曼光谱跟踪 OER 过程中的活性中间体变化，在 NiFeCoCrW0.2、NiFeCoW0.2和 NiFeCoCr 催化剂中观察到独特的 1069 cm-1拉曼峰，对应于 M - OO 物种，证实了双位点 Ni - O - Co 是遵循 LOM 途径的 OER 实际活性位点。通过18O 同位素标记和差分电化学质谱（DEMS）测量，直接验证了 NiFeCoCrW0.2催化剂中晶格氧参与 OER 过程。
研究结论与讨论
本研究揭示了 HEAs 中多路径电子协同促进晶格氧活化，从而增强 OER 活性的机制。NiFeCoCrW0.2 HEA 的优异性能源于结构和化学优化，包括活性 Ni 位点的深度氧化和弱 Co - O 键的引入。对关键中间体 μ - OO 和特定测试条件下电化学 OER 行为的评估，为区分多组分形成的多路径调节系统的反应机制提供了直接证据。该研究展示了多路径电子调制在操纵电催化机制转变方面的优势，为设计高性能 OER 电催化剂提供了理论指导和实践参考，推动了相关能源技术的发展，具有重要的科学意义和应用价值。
