科学网—哈工大姜思达等：中熵双效催化剂探索“水-能”综合利用新策略
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2026-5-7 09:20
| 系统分类: 论文交流
Integrating Overall Water Splitting with Advanced Oxidation for Wastewater Treatment Using a Bifunctional Medium-Entropy Amorphous Alloy
Yifan Cui, Yonghui Wang, Bo Li, Jiaqi Huang, Le Bo, Hengqi Liu, Mahlanyane Kenneth Mathe, Murodjon Samadiy, Shengfeng Guo, Hongxian Shen, Jianfei Sun, Sida Jiang*
Nano-Micro Letters (2026)18:333
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02172-
1. 双重调控，提升活性：通过调控高级氧化降解及电解水催化相似的含氧中间体吸附能，实现了中熵合金双效催化剂的开发，利用快速凝固熔拉制备的合金纤维具备非晶-纳米晶结构，非晶基底提升了污水中的抗腐蚀能力，纳米晶为不同催化反应提供活性位点。
2. 双效催化，同时高效：提出的水-能利用新战略，有助于实现资源与能源的循环利用，实现“绿氢”目标。该策略制备的催化剂在模拟生活废水中可以进行电长时间稳定电解水催化(~100小时)，并在1小时内完成对废水污染物的降解。
研究背景
氢能被认为是一种清洁可靠的储存间歇性能源的方法。电解水催化制氢是高效的制氢手段，然而，对电解液较高的水质要求仍然是阻碍其大规模应用的挑战。因此，开发能够同时驱动整体水分解和降解废水中污染物的双功能催化剂可以大大提高能量利用效率，并能够实现资源循环利用。
内容简介
针对高级氧化降解及电解水催化最佳pH条件的不匹配以及降解效率和电解性能的难以平衡 的问题。 哈尔滨工业大学姜思达等人 采用低成本熔融抽拉法制备(FeCoNi)₈₀B₂₀中熵非晶合金(MEAA)纤维。由于非晶-纳米晶结构，纤维在90秒内实现染料的完全脱色，同时在很宽的pH范围内保持有效。 此外,( FeCoNi)₈₀B₂₀的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的过电位分别为275和220 mV。通过同步两种催化反应,纤维能够在模拟污水中直接分解水，实现完全脱色，同时在高碱性条件下(pH = 13.6)，阴离子交换膜(AEM)电解槽中保持电催化稳定性100小时。适度的OH*吸附赋予其优异的双功能催化能力。这种双功能催化剂解决了能源储存和水资源短缺的双重挑战，并为实际的工业应用提供了较好的前景。
图文导读
I 双功能开发：水-能源综合利用策略的实现
如图1所示，拥有大规模太阳能和风能收集系统的地区经常面临严重的缺水问题。所提出的系统通过水分解结合高级氧化过程( AOPs )集成了能量存储和水净化。水分解和AOPs在活性元素，中间体，水相关性，功耗和pH范围方面表现出兼容性。这种相容性使得两个反应的整合成为可能，并提出了双功能催化剂的设计策略。利用水电解制氢储存间歇能源时，废水和生活废水经过简单的物理过滤和吸附后可直接引入电解槽。这种集成工艺能够稳定地放出氧气，同时实现有效的水净化，从而提高能量利用效率和资源回收。
图1. 水-能源综合利用策略示意图。
II 中熵催化剂的结构与元素协同调控：双功能性的实现并提高催化活性
由于含氧中间体OH*的吸附强度，决定两种催化反应的催化活性，因此适中的OH*吸附强度是赋予材料双功能性的关键，基于多主元合金的元素协同效应及非晶形成能力，设计了(FeCoNi)₈₀B₂₀的中熵合金催化剂，本研究利用基于快速凝固理论的熔体抽拉方法，制备了具有非晶-纳米晶结构的合金纤维，其非晶基底具有较好的抗腐蚀能力，可以提高其在不同pH环境及污染物下的稳定性；同时Fe、Co和Ni元素组成的硼化物纳米晶，为两种催化反应提供了不同的高效活性位点，赋予了催化剂较好的双效催化活性。
图2. 合金纤维结构表征。
III 实现高活性及稳定性的双功能催化
图3. 高级氧化降解的活性及稳定性。
在 罗丹明B 中进行了降解性能测试，(FeCoNi)₈₀B₂₀展现了90秒降解速率与30次复用的综合最佳性能，此外，(FeCoNi)₈₀B₂₀能够有效降解 磺胺 二甲基嘧啶(SM2)和苯并噻唑，在1200 s内分别实现100%和92%的去除效率。确定了催化剂的最佳降解条件为催化剂负载量为0.5g L⁻1、RhB浓度为25mg L⁻1和环境温度。电子自旋共振(ESR)光谱证实了在降解过程中产生了·OH, SO₄·⁻, O₂·⁻, 和1O₂。ESR信号显示了大量的·OH和SO₄·⁻自由基，而仅检测到少量的O₂·⁻, 和1O₂，突出了自由基途径对污染物降解的主要贡献并证明了对含氧中间体的吸附对高级氧化催化降解有利。此外，使用糠醇(FFA)、对苯醌、甲醇(MeOH)和叔丁醇(TBA)作为猝灭剂进行的猝灭实验的结果与ESR结果一致。
在1.0 M KOH中测试不同样品的电解水催化活性。(FeCoNi)₈₀B₂₀的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的过电位分别为275和220 mV。与基于过渡金属和贵金属的代表性催化剂相比，表现出较优异的OER催化活性。最低的电荷转移电阻和较高的电化学活性面积表明其具有更快的法拉第过程和更高的活性位点密度。进一步评估了用作阴极和阳极的(FeCoNi)₈₀B₂₀的全水解性能，电池电压为1.96 V，达到200mA cm⁻2的电流密度。在稳定性方面，其在同时作为阴极与阳极时，可在200mA cm⁻2下稳定运行250 h，并在模拟的工业应用场景的波动电流密度下保持了144 h的稳定性。
图5. 电解水催化的活性与稳定性。
IV 联用性能测试及机制分析
基于(FeCoNi)₈₀B₂₀的高级氧化降解和电解水催化性能，这两个过程可以同时进行。在模拟生活污水(含25mg L⁻1 RhB的1.0 M KOH)中，在200mA cm⁻2的电流密度下进行电解水制氢。溶液的完全脱色在60分钟内实现，而水分解过程保持稳定运行约115小时。总有机碳( TOC )去除率达到63.24%。与常规高级氧化测试相比，高级氧化降解和电解水催化同步进行时，具有更高的降解效率。为了明确同步试验中不同条件对催化性能的影响，对通电、染料和氧化剂变量条件下进行了相关性能测试，RhB和Na₂S₂O8的存在对OER性能仅产生可忽略的影响，而在外加电流下，由于增强的电子转移，脱色效率显著加快。
根据中熵合金的非晶-纳米晶结构，建模了(FeCoNi)₈₀B₂₀-Ni₄B₃/Fe₃B 异质结 ，对两种催化反应的反应步骤能垒进行计算，发现纳米晶展现了比非晶基底更加优越的催化活性，证明了非晶-纳米晶结构的优越性，同时Ni位点为OER的最佳催化活性位点，Fe位点为高级氧化降解最佳活性位点，非晶(FeCoNi)₈₀B₂₀、(FeCoNi)₈₀B₂₀-Ni₄B₃和(FeCoNi)₈₀B₂₀-Fe₃B的总态密度(TDOS)分析显示，Ni位点增加了费米能级附近的空态密度，表明存在大量与Ni相关的不成对电子。部分态密度(pDOS)分析进一步表明，Fe、Co和Ni位点共同调节(FeCoNi)₈₀B₂₀的吸附特性，从而促进两个催化反应中的中间脱附。(FeCoNi)₈₀B₂₀中铁、钴和镍的部分径向分布函数(PRDFs)进行了计算，较低的PRDF峰强度对应于较低的配位数，这有利于产生额外的活性位点，值得注意的是，Fe-Ni对显示出最低的峰强度，这表明Fe和Ni位点之间的相互作用在提高AOPs和电解水的活性方面起着重要作用。总体而言，密度泛函理论结果表明，铁和镍的中心本质上有利于这两个催化过程，而非晶-纳米晶结构增加了活性中心的数量，纳米晶进一步增强了催化活性。
图6. 联用催化活性及理论计算结果。
V 总结
在这项研究中，开发了一种高级氧化降解和电解水催化的双功能催化剂，并证明其在模拟污水中可进行催化。多种元素之间的协同相互作用和非晶-纳米晶的稳定无定形结构使得能够整合两种反应途径，而氧中间体结合强度的调节实现了两种功能之间的平衡。(FeCoNi)₈₀B₂₀催化剂对高级氧化降解和电解水催化都表现出突出的催化活性和耐久性。此外，在电解水条件下观察到加速的染料降解，进一步突出了两个过程之间的协同效应。当在模拟污水中运行的阴离子交换膜电解槽中当催化剂同时作为阳极和阴极时，在约1.96 V下维持200 mA cm⁻2的电流密度超过100 h。尽管与污水中电解槽腐蚀相关的挑战仍然存在，但这种双功能系统的低成本和高催化性能强调了污水中电解水的可行性，并突出了其工业应用的潜力。
作者简介
姜思达
本文通讯作者
哈尔滨工业大学 教授
▍ 主要研究 领域
(1)亚稳态合金功能性及空间应用研发；(2)离子电池金属负极材料。
▍ 主要研究成果
精密热成形全国重点实验室成员，现就职于材料科学与工程学院材料加工工程系；参与“十二五”国家重大科技基础设施建设项目“空间环境地面模拟装置”真空互联薄膜制备、离线磁性材料制备及综合测试等系统设计及建设工作；主要研究方向有亚稳态合金功能性、空间性材料研发及离子电池金属负极材料等研究，共发表相关SCI科研论文60余篇，如Nat. Chem.、 Nano Micro Lett.、Adv. Mater.、Angew、Adv. Funct. Mater.、Adv. Fiber Mater.、Small等，获发明专利授权及软件著作权等19项，主导(排名第三)完成《非晶软磁合金丝材》GB/T 44654-2024国家标准及多项团体标准的制定；主持或参与的科研项目共计30项，其中作为项目负责人主持21项，包括国家重大科技计划课题、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、教育部前沿科学中心项目、黑龙江省重点研发计划重点项目、哈尔滨市制造业科技创新人才、中国航空科学基金等。
▍ Email： jiangsida@hit.edu.cn
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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Nan o-M icro 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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