乐发清华大学「国家杰青」团队，最新Nature Nanotechnology！

国家来源：钻石配资网站：博星优配日期：2026-05-09 13:36:33 查看：126

14种金属“拧”成1.2纳米超细线，海水电解制氢稳定运行超4700小时

海水电解制氢，被认为是未来绿色氢能的重要方向。相比传统淡水电解，海水资源更加丰富，更适合未来大规模工业化应用。但长期以来，这一路线始终面临一个核心难题：在高盐、高电流、强腐蚀环境下，催化剂很容易失活、脱落甚至结构崩塌。尤其在工业级电流条件下，剧烈气泡冲击以及晶格氧机制（LOM）带来的结构不稳定，使许多高性能催化剂难以长期稳定运行。

今日，清华大学王训教授、刘清达、肖海副教授提出一种“自粘附高熵氧化物亚纳米线（HEO SNWs）”整体式电催化剂。研究团队将14种金属元素整合进仅约1.2纳米直径的超细氧化物纳米线中，不仅实现了超高催化活性，还同时解决了催化剂“结构稳定”和“机械稳定”两大难题。该催化剂在碱性海水体系中稳定运行超过4400小时，在碱性体系中更达到4700小时超长寿命，并在膜电解槽中实现工业级电流密度表现，为未来低成本海水制氢提供了新思路。相关成果以“Self-adhesive high-entropy oxide sub-nanowire monolithic electrocatalysts”为题发表在《Nature Nanotechnology》上，黄远为第一作者。

研究首先从材料结构设计入手。传统高熵氧化物通常需要高温合成，颗粒尺寸较大，表面积有限，而且与基底结合不牢。此次团队采用低温策略，将Mo、Ce、Cr、Co、Mn、Zn、Fe、Ni、Cu、Mg、Al、Bi、Cd和Sn等14种金属元素共同整合进亚纳米线结构中（图1a）。由于尺寸已经接近单晶胞尺度，大量原子直接暴露在表面，使其拥有极高活性位点密度。同时，这种亚纳米结构还具备类似高分子材料的柔性特征，使材料能够像胶水一样牢牢粘附在导电基底上。透射电子显微镜结果显示，这些纳米线直径只有约1.2纳米，长度却达到数微米，形貌均一且纯度极高（图1b、1c）。原子力显微镜进一步确认了其超细尺寸（图1d），而高分辨HAADF-STEM图像中还能清楚观察到3.3 Å晶面间距（图1e）。元素分布图谱则显示，14种金属元素均匀分散在同一根纳米线内部，没有出现明显团聚或相分离（图1f）。理论计算进一步发现，随着引入元素种类增加，材料形成能持续下降（图1g），说明高熵效应能够帮助亚纳米线结构稳定下来，同时创造更多特殊活性位点。

图1：研究团队构建出由14种金属元素组成的高熵氧化物亚纳米线，直径仅约1.2纳米，元素均匀分散且结构稳定。

真正让这项工作脱颖而出的，是材料惊人的自粘附能力。传统电解水催化剂通常需要依赖Nafion等聚合物粘结剂固定在电极上，但这些粘结剂在高电流和剧烈气泡冲击下很容易失效。而HEO SNWs由于具有超细柔性结构，在溶液中会形成类似聚合物的缠绕网络（图2a），不仅能够形成稳定胶体，还表现出明显的丁达尔效应。宏观测试更加直观：仅依靠这种材料自身的粘附能力，两块不锈钢之间就能悬挂10公斤重物而不脱落（图2b）。进一步测试发现，它不仅能粘附金属，对玻璃、木材、PVC等多种材料同样有效（图2c）。即使反复粘贴6次后，其粘附性能依然几乎没有衰减（图2d）。为了验证其在实际电解环境中的可靠性，团队又将材料浸泡在强酸、强碱以及海水环境中。结果发现，无论pH=1还是pH=14，粘附强度都几乎保持不变（图2e）；在碱性海水体系中浸泡28天后，材料依然保持很高粘附强度（图2f）。甚至在碱性海水中，两块由HEO SNWs粘接的不锈钢板可以连续悬挂1公斤重物超过36天而没有脱落（图2g）。相比商业Nafion，其粘附强度提升了约982倍（图2h）。这意味着，研究人员首次构建出一种真正意义上的“无粘结剂整体式电催化层”。

图2：HEO SNWs展现出惊人的自粘附能力，可替代传统粘结剂，在海水和强碱环境下依然保持超强附着稳定性。

在电催化性能方面，这种材料同样展现出顶尖水平。随着引入金属元素数量增加，析氧活性持续提升（图3a）。其中14元素HEO SNWs表现最佳，在1 M KOH中仅需129 mV过电位即可达到10 mA cm−2电流密度。研究人员通过原位拉曼与同位素质谱技术进一步发现，该材料主要通过晶格氧机制（LOM）进行反应（图3b）。更关键的是，它在工业级电流条件下依然保持超长寿命。在1 M KOH中，该催化剂能够在1000 mA cm−2条件下稳定运行超过4700小时（图3c、3d），电压衰减速率仅0.38 μV h−1。即使经历长期运行后，电极界面依旧没有出现明显脱层或结构坍塌。更具挑战性的海水体系中，这种材料依然表现稳定。HEO SNWs在碱性海水中仅需306 mV过电位即可达到1000 mA cm−2（图3e），并连续稳定运行超过4400小时（图3f）。法拉第效率测试显示，其析氧选择性接近100%，几乎没有检测到析氯副产物（图3i）。综合寿命与性能比较后，该体系已经跻身目前最先进海水析氧催化剂行列（图3j）。

图3：该催化剂在淡水和海水析氧反应中均展现顶尖活性与超长寿命，在1000 mA cm−2下稳定运行超过4700小时

为了验证产业化潜力，研究团队进一步组装了阴离子交换膜海水电解槽（AEMSE）（图4a）。在室温条件下，器件即可在1.80 V下输出1000 mA cm−2电流密度（图4b）。随着温度升高到80 ℃，性能进一步提升，在1.70 V时即可达到3000 mA cm−2（图4c）。研究人员估算，该系统能量效率达到81.9%，氢气成本低至0.82美元/GGE，远低于美国能源部2026年提出的2美元目标（图4d）。此外，在2000 mA cm−2条件下，该海水电解槽还能稳定运行3819小时以上（图4e、4f）。

图4：基于HEO SNWs构建的阴离子交换膜海水电解槽实现工业级电流输出，并具备优异能效和超长稳定运行能力

在机理研究部分，团队利用DFT计算揭示了高熵结构为何能同时兼顾高活性与高稳定性。研究人员发现，在这些高熵亚纳米线边缘，会形成大量双金属活性中心，例如Cr–O–Cu结构（图5a、5b）。其中Cu更擅长稳定晶格氧，而Cr则更容易激活晶格氧，两者形成互补，使反应既高效又稳定。进一步计算显示，在Cu–O–Cr位点上，反应势垒仅0.18 eV（图5c）。与此同时，高熵结构意味着即便某些活性位点在长期运行中发生溶解，体系中仍会持续存在大量其他有效双金属组合，因此整体催化活性不会迅速衰减。