近期，江南大学化工学院杜明亮教授团队在新型能源转化关键催化材料的开发设计与应用方面取得突破性进展，课题组2017级高分子材料与工程专业本科生郝嘉策同学以第一作者在Nature Communications上发表重要学术论文：“Unraveling the electronegativity-dominated intermediate adsorption on high-entropy alloy electrocatalysts（Nature Communications, 2022, 13, 2662）”，通讯作者为朱罕副研究员。该工作为郝嘉策同学本科期间的研究成果，目前郝嘉策同学已经保送江南大学攻读硕士学位。
随着电催化技术的发展，电催化越来越复杂的产物可通过涉及多个中间体的复杂电化学反应合成得到。作为一种多位点电催化剂，高熵合金纳米材料的开发更有利于打破线性限制关系，实现不同反应物/中间体的选择性吸附，从而在复杂电化学反应的应用中显示出巨大优势。然而高熵合金在电催化领域的研究尚属起步阶段，大量研究仍致力于合成方法的探索及元素组合的筛选。受限于高熵合金构型的复杂性，对其活性位点的识别及电催化机理的深入理解十分迫切却鲜有报道。鉴于此，郝嘉策同学等利用静电纺丝技术在碳纳米纤维中设计合成具有各种不同中间体吸附物种能力催化活性位点的FeCoNiXRu (X: Cu, Cr, Mn)高熵合金材料，发现高熵合金材料中不同电负性的元素导致显著的电荷重新分布，而且高熵合金中形成具有能够同时稳定OH*和H*两种中间体的Co、Ru催化位点，因此显著改善了碱性电解液分解水性能。
原位表征结果显示，合成高熵合金的过程属于热动力学驱动的相变。这种高熵合金材料在碱性分解水反应中表现出与位点电负性有关的中间体吸附作用，能够改善H2O解离生成的OH*和H*中间体吸附，改善生成H2步骤。在FeCoNiMnRu高熵合金催化剂中，Co位点的活性最高，水分子解离的能垒最低（0.34 eV）；随后H*吸附/脱附步骤，H*从Co位点脱附随后吸附在Ru位点，因此实现了最低的ΔGH*为-0.07 eV。FeCoNiMnRu/CNF电催化剂在1 M KOH碱性电解液的分解水HER、OER达到100 mA cm-2电流密度分别为71 mV和308 mV，构建双电极全分解水仅仅需要1.65 V，能够在1 A cm-2电流密度实现稳定600 h工作。本研究有助于深入理解催化活性位点和中间体之间的相互作用，为多步骤催化反应打破标度关系提供设计经验。
上述研究得到国家自然科学基金（52073124, 51803077)、江苏省自然科学基金（BK20180627）、中国博士后基金（2018M630517, 2019T120389）、江南大学至善青年学者计划等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30379-4
图1 所设计的纳米催化剂、单原子催化剂和高熵合金催化剂的概念说明
