近日，长三角研究院清洁与可再生能源团队李睿副教授与北京科技大学吕昭平教授团队等合作，在电解水催化电极材料研究方面取得重要进展，研究成果以“Design of Hierarchical Porosity Via Manipulating Chemical and Microstructural Complexities in High-Entropy Alloys for Efficient Water Electrolysis”为题，在《Advanced Science》（IF=16.806）在线发表。（原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202105808）

电解水技术制氢技术由于其碳中性甚至负碳的环保特性，被认为是未来通向“氢经济”的最佳途径。电解水技术也能与可再生能源的不稳定电力结合产生氢气，直接作为绿色能源使用或转换成优质电能，可明显提高可再生能源的利用率和占比。因此发展高效、耐用的电解水催化剂对未来氢能产业的发展至关重要。然而，目前最先进的高性能电催化剂都是以贵金属纳米颗粒结合碳载体为基础的，其复杂的加工方法是阻其规模化工程应用的主要因素。

研究团队基于高熵合金强合金化效应、强晶格应变效应等特性利用物理冶金结合脱合金化方法开发出一种可宏量制备的高效、廉价的纳米多孔高熵合金电解水催化电极材料。该研究工作利用多主元高熵合金成分和结构复杂性，基于Fe、Co、Ni、Cu等非贵金属过渡族元素，首先制备得到具有多尺度相分离组织结构的FeCoNiCu高熵合金前驱体，然后通过简单的化学/电化学脱合金化的方法实现了对纳米多孔高熵合金多级孔结构的有效调控：前驱体高熵合金中微米尺度的相分离枝晶结构及纳米尺度的上坡扩散调幅分解组织共同决定了多级孔结构高熵合金的形成。得益于高熵多主元强合金化效应以及多尺度孔结构提供的高内部比表面积、高传质效率和高结构稳定性，该多级孔结构高熵合金表现出优异的电催化电解水析氢性能：10mA/cm²电流密度条件下的过电位为31.7 mV，Tafel斜率低至42.2 mV/dec。同时该材料可以用于电解水系统的双电极，展现出良好的产气效率和大电流密度条件下稳定性。本研究基于物理冶金思路，利用高熵合金多主元强合金化效应对微结构的调控，实现对电解水催化电极材料的结构和性能优化，该策略也可以应用于其他能源存储及转换用功能金属材料的研发。

该研究获得了国家自然科学基金，国家创新研究群体科学基金、姑苏创新创业领军人才计划等项目的支持。

图1.多尺度纳米多孔高熵合金制备示意图。

图2.纳米多孔高熵合金多尺度孔结构表征：a. FeCoNiCu高熵合金脱合金化结构演变；b.多尺度孔结构SEM表征；c.调幅分解二级纳米孔结构TEM表征；d.二级纳米孔结构STEM能谱表征。

图3.纳米多孔高熵合金电解水析氢性能表征：a.不同脱合金化条件高熵合金LSV曲线对比；b. Tafel曲线对比；c.过电位及Tafel斜率对比；d.纳米多孔高熵合金析氢性能与报道材料对比图；e.纳米多孔高熵合金产气法拉第效率；f.纳米多孔高熵合金析氢稳定性测试。

图4. DFT理论计算：a.不同构型水吸附能对比；b.不同构型氢吸附吉布斯自由能对比；c.纳米多孔高熵合金氢吸附差分电荷密度分析；d.纳米多孔高熵合金氢吸附态密度分析。

图5.纳米多孔高熵合金全水解性能验证：a.基于纳米多孔高熵合金双电极电解槽模型及电流、电压极化曲线；b.双电极结构稳定性表征。

李睿副教授近年来主要从事多主元复杂合金等先进金属材料的设计、研发及其功能特性研究，探索非晶合金、高熵合金、纳米晶合金等亚稳态合金以及三维纳米多孔金属在清洁能源储存及转换领域应用，相关成果以第一作者身份在Naturecommunications，AdvancedMaterials，Acta Materialia等期刊发表论文10余篇。