新南威尔士大学倪丙杰等综述: 电解水催化的“双引擎”创新路线—高熵+非晶

研究背景

氢能被誉为未来清洁能源的核心，而电解水制氢是实现零碳能源循环的重要途径。然而，析氢反应(HER)与析氧反应(OER)动力学迟缓、催化剂稳定性不足与贵金属依赖问题，成为限制电解水效率和成本的瓶颈。近年来，高熵材料(High-Entropy Materials, HEMs)因其多元素协同、可调电子结构及优异的热力学稳定性而受到广泛关注。同时，非晶态催化剂凭借无序结构和高密度活性位点展现出独特反应活性。将“高熵”与“非晶”两种特征相结合，有望突破传统晶体催化剂的性能上限，构筑兼具高活性与高稳定性的下一代电解水催化体系。

High-Entropy Amorphous Catalysts for Water Electrolysis: A New Frontier

Gaihong Wang, Zhijie Chen*, Jinliang Zhu, Jiangzhou Xie, Wei Wei, Yi-Ming Yan & Bing-Jie Ni*

Nano-Micro Letters (2026)18: 77

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01936-5

本文亮点

1. 高熵 × 非晶：多元素协同与结构无序的完美融合。首次系统总结高熵非晶催化剂(HEACs)在电解水中的研究进展，揭示其独特的“多金属协同—无序增效”机制。

2. 结构特征与性能关联：短程有序 + 高缺陷密度 + 可调电子结构。文章从原子尺度解析了短程有序、配位畸变与高缺陷态如何协同提升催化活性与稳定性。

3. 机理洞察：多金属协同、非晶效应与原位重构。通过对比结晶与非晶界面的电化学行为，阐明了结构重构在反应路径调控中的关键作用。

内容简介

新南威尔士大学倪丙杰等人聚焦于高熵非晶催化剂在电解水中的研究进展与机理认知，全面总结了其在HER、OER及整体水电解中的应用。研究指出：高熵效应通过增强组分多样性与电子结构可调性，实现多金属间的协同作用；非晶结构则提供了柔性配位环境与高密度活性位点。两者的结合可显著降低反应能垒、提升中间体吸附优化度，并增强结构稳定性。此外，文章系统归纳了多种合成策略，包扩水热/溶剂热法、电化学沉积、机械球磨、熔融淬火等，为实现高组分均匀分布与非晶态保持提供了可行路径。作者进一步提出，借助计算模拟与机器学习，可加速高熵非晶催化剂的精准设计，为未来电解水及其他能量转化反应提供新的理论与方法基础。

图文导读

I 高熵无序：多元素协同构筑“乱中有序”的催化结构

高熵非晶催化剂(HEACs)凭借“多元素协同效应”与“结构无序特征”的耦合，展现出独特的结构–性能优势，形成兼具高活性与高稳定性的“乱中有序”催化体系。在原子层面，多金属组分的协同作用引发轨道杂化、电荷重新分布与局域应变效应，显著调控 d 带中心位置与电子态密度，从而优化反应中间体(如 H*、OH*、O*)的吸附能；非晶结构中丰富的空位、悬挂键与欠配位金属位为反应提供密集活性中心，同时打破了表面与体相的界限，使活性区域延伸至材料内部。其柔性的原子网络能够在氧化还原与析气过程中实现自适应重排，缓解体积变化与应力集中，保持长程结构稳定；亚稳态的高熵无序结构则易于在电化学环境下发生可逆重构，动态生成富缺陷活性界面，持续维持高催化活性。多维表征(XRD、HRTEM、SAED、EDS、XPS 等)证实了 HEACs 的非晶特征、元素均匀分布及多价态协同行为。综合来看，HEACs 通过“缺陷–电子–结构–动态”四维耦合机制，实现了反应活性与耐久性的同步提升，为高效电解水及相关能量转化反应的催化材料设计提供了全新思路与理论支撑。

图1. 高熵非晶催化剂(HEACs)的结构与表征概述。a)示意图；b)结构特征；c)表征技术。

II 在“乱”中求序——高熵非晶催化剂的合成之道

高熵非晶催化剂(HEACs)的设计关键在于在多金属体系中实现元素均匀分布与结构无序的平衡。由于无定形材料需在非平衡或动力学控制条件下抑制晶化，其合成策略尤显重要。当前常用方法包括电沉积法、水热/溶剂热法、球磨法、熔融淬火-去合金法和化学还原法等。

这些方法各具特色与优势：

• 电沉积法条件温和、操作简便、易于规模化制备，并可在导电基底上原位生长薄膜结构；

• 水热/溶剂热法具备高通用性和形貌可控性，适合构筑多形态HEACs；

• 熔融急冷-去合金法可实现快速凝固与精确的无定形控制，保证结构稳定且可扩展；

• 球磨法以高能机械作用促进原子级混合，工艺简便、灵活且可扩展；

• 化学还原法具有反应温和、组分可调性强、成分控制良好等优点。

多种合成策略的协同应用，使HEACs在结构复杂性调控、无序度设计及催化性能优化方面展现出广阔潜力与“乱中有序”的独特魅力。

图2. 高熵无定形催化剂(HEACs)典型合成策略的示意图。

III 无序也精彩：高熵非晶催化剂在电解水中的奇妙表现

高熵非晶催化剂以其独特的“无序之美”在电解水反应中展现出令人惊叹的性能。在总览表(Table 2)中，各种高熵非晶催化剂的结构与活性特征被直观呈现，为理解结构与性能的关系提供了清晰视角。研究将此类催化剂按照改性方式与结构特征分为五大类别：氧化物/氢氧化物型、非氧阴离子修饰型(如 P、B、F 等)、含氧阴离子修饰型(如 PO₄3⁻、甘油酸根、BO₃3⁻、CO₃2⁻)、MOF 衍生结构以及异质结构复合材料。每一类都选取了代表性实例，深入分析其微观结构、催化活性及反应机理，揭示了多样化设计策略如何调控电子结构、提升电解水效率。更令人振奋的是，高熵非晶催化剂在复杂实际体系中同样表现出卓越的稳定性与抗腐蚀能力。在碱性海水中，HEO-FeCoNiMoVOₓ-1.5 兼具高催化活性与强抗腐蚀性，其高价态金属组分可优先吸附 OH⁻，有效抑制氯氧化干扰，并在长时稳定测试后保持完整的无定形 结构与微花形貌。而 HE(Ru,Mo)-MOFs 在含有多种离子与有机杂质的化工废水中，仍维持低过电位与快速电荷传输动力学，表现出优异的催化稳定性。综合来看，高熵非晶催化剂不仅在理想体系中展现出高活性与可调结构优势，更在海水与废水等复杂环境中表现出出色的耐腐蚀性与结构稳固性，显示出其在实际电解水体系中实现高效、稳定能源转化的巨大潜力。

图3. 高熵非晶催化剂的性能评估。

IV 玩转水分子：高熵非晶催化剂的电解水魔法

高熵非晶催化剂的高效电解水能力，源于多重“秘密武器”的协同作用。多金属协同让反应中间体在不同活性位点间“有序穿梭”，优化电子传递、降低能垒；非晶化结构则制造了大量缺陷和不饱和位点，调节电子能带，强化中间体吸附，加速反应动力学；更神奇的是，在电化学条件下，这些催化剂还能“自我重构”，动态生成高活性相，如 β-NiOOH，从而同时提升稳定性和选择性。

图4. 金属协同效应。

图5. 非晶化效应。

图6. 原位重构。

V 高熵催化剂的未来蓝图：无序结构下的高效与创新

高熵催化剂就像电化学世界里的“多面手”，用它独特的无序魅力，实现了高效水分子分解。在酸性、中性、碱性乃至海水和工业废水中，它们都能稳定工作，展现出惊人的活性和耐久性。原位表征告诉我们，催化剂在电解过程中会“自我重塑”，形成晶态氧氢化物活性相，这不仅产生更多活性位点，也让整体结构稳如磐石。

未来，高熵催化剂的发展方向令人兴奋：

• 智能设计，AI + DFT 组合拳

通过机器学习和理论计算的联合应用，可以精准预测无定形催化剂的吸附能和活性位点，高通量筛选出最优组合，让催化剂“长得更聪明”，轻松实现低过电位和超长稳定性。

• 海水电解的“护盾”

含 P3⁻、S2⁻、B3⁻ 的无氧阴离子高熵催化剂，能在海水中动态生成保护性表面层，有效挡住氯离子的干扰，同时继续高效析氧。就像为催化剂穿上了一层隐形盔甲，既安全又高效。

• 原位无定形化，界面焕发活力

部分晶态高熵催化剂在电解中会转化为晶态-无定形混合结构，形成动态活性界面，让催化反应像装上了加速器。花状高熵硒化物就是例子：表面重构后活性位点更活跃，反应更快、更顺畅。

• 耦合增值反应，边做电解边赚价值

高熵催化剂还能把水分解和其他有价值反应结合起来，比如同时催化 OER 和 CO₂还原，或者将葡萄糖氧化和 HER 联动，既降低能耗，又生成高附加值产物，实现电解水的升级玩法。

总之，高熵催化剂靠多金属协同、无定形结构、动态重构和界面工程等魔法组合，不仅让电解水更高效、稳定，还为智能设计、复杂环境应用和增值耦合体系开辟了新天地，真正展现了“无序也精彩”的力量。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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