高熵催化综述：高熵电解水催化剂的合成策略、催化机理及展望

  1、背景

  2022年11月，本课题组汤克勇、李修敏老师，与日本弘前大学官国清课题组联合在Nano research期刊发表题为“High entropy materials based electrocatalysts for water splitting: synthesis strategies, catalytic mechanisms and prospects”的研究综述，全面介绍了高熵合金、高熵氧化物、高熵硫化物等高熵材料（HEM）在电解水析氢反应（HER）和析氧反应（OER）领域的最新研究进展、存在的问题和未来的研究方向。Nano Research是由教育部主管、清华大学和中国化学会主办的高水平国际学术期刊，中科院大类1区，影响因子10.3。

  “氢能技术”是国家“十四五”规划中提出的重点研发方向之一，也是全球减少碳排放和减缓气候变化的优质解决方案之一。当前，我国氢气生产主要依赖传统的石化、化工、焦化等领域，大量的碳排放使清洁高效的制氢技术的研发成为必然的趋势。作为一种清洁能源，近年来有不少氢能生产与应用技术的研究报道，电解水制氢以效率高、适应性强、无污染、生成气体纯度高等优势受到人们的广泛关注，其中碱式电解水制氢是目前国内最为成熟、商业化程度最高的电解水制氢技术。然而，相对于传统行业，其高昂的成本是电解水制氢技术面临的挑战。为了降低碱式电解水技术的成本，需要开发廉价高效的电解水析氢反应及析氧反应催化剂。

  近年来，用于电催化的高熵材料引起了研究者的广泛关注，包括高熵合金、硫化物、氧化物等，其设计策略强调所有参与元素共同构建高熵材料，没有明显的基本元素。以高熵合金（HEA）为例，早期文献将其定义为含有5种或5种以上的元素，且每种元素的原子浓度为5 % ~ 35 %；另外，高熵合金中的主要元素均匀分布在同一晶体结构中。高熵材料独特的结构及多元的组分赋予其四种“核心效应”：高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应。由于"四核效应"的作用，HEA具有较好的晶粒尺寸、稳定的晶型、优化的键长和电子云分布，与传统的二元或三元材料相比，具有更好的长期稳定性和更高的催化活性。此外，HEM复杂的组分和结构赋予了其不同的原子分布和独特的结合位点，有利于形成与吸附能有关的连续分布和多个活性位点。因此，与传统材料相比，HEM具有更多高活性位点以吸附HER或OER的各种反应物或中间体，有利于降低反应活化能能垒。

  2、主要内容

  论文综述了高熵催化剂的结构特征和合成策略，重点介绍了高熵催化剂在电解水析氢反应和析氧反应中的催化性能，以及组成、结构、多位点协同作用和"四核效应"对提高其催化活性、稳定性和抗电化学腐蚀性的关键作用。另外，还讨论了HER和OER高熵催化剂的设计策略、面临的主要挑战，并展望了其未来的发展方向。该论文有望为电解水领域开发低成本高效的HEM基电催化剂提供有价值的信息。

文章信息：Li, X., Zhou, Y., Feng, C., Wei, R., Hao, X., Tang, K., & Guan, G. High entropy materials based electrocatalysts for water splitting: synthesis strategies, catalytic mechanisms and prospects. Nano Research. 2022. DOI:10.1007/s12274-022-5207-4