MPEM 催化剂因其独特的组成、熵效应以及均匀的元素分布，展现出卓越的催化效率和耐久性。例如，2025 年 3 月中国科学技术大学宋礼教授联合中科院赣江创新研究院陈庆军课题组开发的 MPEM 催化剂，在 10 毫安 / 平方厘米的电流密度下展现出 244 毫伏的低过电位，显著优于传统催化剂和商业二氧化钌（RuO₂），且在 10 和 100 毫安 / 平方厘米的电流密度下可稳定运行超过 200 小时。这种优异的性能使其在电催化水分解制氢的氧气进化反应（OER）中具有很大的应用潜力，能有效加速反应动力学，提高制氢效率，满足大规模氢气生产的需求。针对传统合成方法在制备 MPEM 纳米颗粒时面临的颗粒生长、聚集或相分离等问题，以及多种金属元素之间的热力学不混溶性导致难以实现多元素均匀分布的挑战，研究人员不断开发新的制备技术。如上述研究采用快速加热和冷却的焦耳加热策略，成功制备了直径约为 120 纳米、包含多达五种不同金属元素的纳米尺度 MPEM 颗粒，有效避免了颗粒生长和相分离问题，为 MPEM 催化剂的合成提供了创新方法，有助于推动其大规模制备和应用。全球对清洁能源的需求持续增加，氢能作为高效、清洁且可再生的能源，是替代传统化石燃料的理想选择。氢能生产主要依赖电催化水分解技术，OER 是其中的关键步骤，这为 MPEM 催化剂的发展提供了广阔的市场空间。随着氢能源应用的不断推进，如在燃料电池汽车、固定式发电等领域的应用拓展，对高性能 OER 催化剂的需求将不断增长，MPEM 催化剂有望在这些领域发挥重要作用，推动氢能源产业的发展。未来的研究方向可聚焦于进一步优化 MPEM 催化剂的组成和结构，探索其在更广泛的电化学应用中的潜力，以及拓展多主元素材料在其他催化和能源相关领域的应用。这意味着 MPEM 催化剂有可能在更多的能源转换和存储领域得到应用，进一步扩大其市场前景和影响力。

      2025 年 3 月 3 日，中国科学技术大学的宋礼教授与中科院赣江创新研究院的陈庆军课题组携手，于《Chemical Research in Chinese Universities》期刊发表了一篇意义重大的研究论文，标题为 “Unraveling the Durable Water Oxidation Mechanism of Multi - principal Elemental Metal Catalyst”。

      在氢能生产领域，电催化水分解技术占据关键地位，而其中的OER更是核心步骤。多主元素金属（MPEM）催化剂因具备独特组成、熵效应以及均匀的元素分布，在催化效率与耐久性方面展现出卓越潜力。然而，传统合成方法在制备 MPEM 催化剂时却困难重重。一方面，制备过程中常常遭遇颗粒生长、聚集或相分离等棘手问题，导致难以精准把控反应条件；另一方面，多种金属元素间存在热力学不混溶性，使得多元素均匀分布成为传统方法难以跨越的障碍。

      针对这些挑战，该研究团队另辟蹊径，开发出一种创新的高效、稳定的 OER 催化剂制备方法。研究人员巧妙运用快速加热和冷却技术，借助快速的焦耳加热策略，成功制备出直径约 120 纳米的纳米尺度 MPEM 颗粒，这些颗粒中竟包含多达五种不同的金属元素。此策略的精妙之处在于，有效规避了颗粒生长和相分离问题，为高质量 MPEM 催化剂的制备开辟了新路径。

      实验数据有力地证明了这种新型 MPEM 催化剂的优异性能。在 10毫安 / 平方厘米的电流密度下，其展现出仅 244 毫伏的低过电位，与传统催化剂以及商业二氧化钌（RuO₂）相比，优势显著。不仅如此，在 10 和 100 毫安 / 平方厘米的电流密度下，该催化剂均可稳定运行超过 200 小时，出色的耐久性进一步凸显了其在实际应用中的巨大价值。此项研究成果意义非凡。从方法创新角度看，为 MPEM 催化剂的合成提供了前所未有的新思路和新方法，有望引领相关领域研究的新方向；从长远应用视角出发，为未来高效 OER 催化剂的设计与实际应用筑牢了坚实基础，对推动氢能产业发展、缓解全球能源危机具有不可估量的潜在影响。

图文解读

图1：FeCoNiCrSm 多主元素金属催化剂的制备过程

       图 1 系统展示了 FeCoNiCrSm 多主元素金属催化剂（MPEM）的制备过程及其微观结构。在制备环节，图 1A1 呈现了其流程：将不同金属盐和碳粉按等摩尔比例溶解于乙醇，形成均匀混合溶液，随后在 80°C 下搅拌蒸发溶剂，得到前驱体粉末；图 1A2 的焦耳加热过程中，通过快速升温和冷却，金属盐在商业碳还原作用下分解还原，最终生成 FeCoNiCrSm 催化剂；从图 1A3 的催化剂结构示意图可知，该催化剂为球形颗粒。在微观结构表征方面，图 1B 的透射电子显微镜（TEM）图像显示，催化剂颗粒直径约 120 纳米，且颗粒表面活性位点易于暴露，这为提升（OER）性能创造了有利条件。图 1C 的颗粒尺寸分布图，进一步证实了颗粒的均匀性。像差校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）图像（图 1D）清晰展现了催化剂的原子排列，表明金属元素在颗粒中均匀分布。X 射线衍射（XRD）图谱（图 1E）显示，催化剂呈现面心立方（FCC）晶体结构，主要衍射峰位于（111）、（200）和（220）晶面，与 TEM 结果相互印证。能量色散光谱（EDS）元素分布图（图 1F）则表明，Fe、Co、Ni、Cr 和 Sm 等金属元素在单个颗粒中均匀分布，无偏析现象。综上，一系列表征结果充分说明，通过快速热冲击法成功制备出了金属元素均匀分布的 MPEM 催化剂。

图2：催化剂的化学状态与局部结构

       在化学状态和局部配位环境探究上，图 2A-C 为 Co、Ni 和 Cr 的 K 边 X 射线吸收近边结构（XANES）光谱，显示这些金属的吸收能量介于金属箔和氧化物之间，表明其表面存在部分氧化态，这种状态有利于 OER 过程。图 2D-F 为 Co、Ni 和 Cr 的 K 边扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）光谱，揭示了这些金属在催化剂中的局部结构。例如，Co 和 Ni 的光谱在 2 Å 处出现宽峰，表明金属 - 氧键和金属 - 金属键共存；而 Cr 的光谱则显示了 Cr-O（1.6 Å）和 Cr-Cr（2.6 Å）键的存在，表明 Cr 在催化剂表面发生了明显氧化。这些结果表明，MPEM 催化剂表面经历了不同程度的氧化，其中 Cr 的氧化最为显著，这可能与其对氧的亲和性有关。这种表面氧化状态不会影响 OER 性能，反而可能促进反应进行。综上，从制备过程到微观结构表征，再到化学状态分析，一系列结果充分说明，通过快速热冲击法成功制备出了金属元素均匀分布、表面氧化状态利于 OER 的 MPEM 催化剂。

图3：催化剂的OER性能评估

       图 3 展示了 FeCoNiCrSm 催化剂的电催化析氧反应（OER）性能，并与 FeCoNiCr 和商业 RuO₂催化剂进行了全面对比。从图 3A 的线性扫描伏安法（LSV）曲线可以看出，FeCoNiCrSm 催化剂表现出色。在 10 mA/cm² 的电流密度下，它仅需 244 mV 的过电位，而 FeCoNiCr 需要 270 mV，商业 RuO₂更是高达 348 mV。这一数据直接表明，FeCoNiCrSm 的催化效率显著高于另外两种催化剂。图 3B 呈现的 Tafel 曲线进一步揭示了 FeCoNiCrSm 的优势。其 Tafel 斜率仅为 116.8 mV/dec，明显低于 FeCoNiCr 和商业RuO₂，这意味着 FeCoNiCrSm 在反应过程中动力学更快，能更迅速地推动反应进行。图 3C 的电化学阻抗谱（EIS）奈奎斯特图，FeCoNiCrSm 的电荷转移电阻（Rct）最小，数值仅为 6.69 Ω ，这充分证明了该催化剂在电荷传输方面的性能十分优异，能够更高效地传递电荷。图 3D 的雷达图则以直观的方式，综合展示了不同催化剂的关键 OER 性能指标，通过多维度对比，再次验证了 FeCoNiCrSm 催化剂的优越性。图 3E 的恒定电流密度下的计时电位曲线显示，FeCoNiCrSm 在 10 mA/cm² 和 100 mA/cm² 的电流密度下，都能稳定运行超过 200 小时，展现出极为优异的耐久性。综合以上各项实验数据和图表分析，FeCoNiCrSm 催化剂不仅具备低过电位、高电流密度的特点，还拥有长期稳定的性能表现，无疑是理想的 OER 催化剂选择。

图4：OER耐久性机制探索

       图 4 利用透射电子显微镜（TEM）和能量色散光谱（EDS），对 FeCoNiCrSm 催化剂在长期稳定性测试后的微观结构变化进行了深入分析。其中，图 4A-C 为 TEM 图像，从图像中可以清晰地看到，在经历长时间的析氧反应（OER）后，催化剂的原始形貌与晶格结构基本维持不变，颗粒的尺寸与外观形态也没有发生显著变化。图 4D 是 TEM-EDS 元素分布图，该图直观呈现出 Fe、Co、Ni、Cr 和 Sm 等金属元素在纳米颗粒中依然保持均匀分布状态，并未出现元素偏析或聚集现象。综合以上分析结果可知，FeCoNiCrSm 催化剂在 OER 过程中展现出优异的结构稳定性。这种稳定性的形成，得益于多主元素之间的协同效应 —— 不同元素相互配合，共同维持结构稳定；晶格畸变对结构的特殊影响 —— 通过改变晶格结构增强催化剂的稳定性；以及动力学上的缓慢扩散效应 —— 降低了元素迁移和结构破坏的速度。正是这些特性，使得多主元素（MPEM）催化剂在长期运行过程中，能够持续保持高效且稳定的催化性能，这一发现为其在实际应用领域的推广与使用提供了关键保障。

总结与展望

       本研究通过创新设计，成功将多种金属元素整合至单一晶格体系，构建出均匀的多主元素金属（MPEM）固溶体结构。借助 XRD、TEM、XPS 等多维度材料表征技术，系统验证了多金属配置向单相 MPEM 结构的成功转变，从晶体结构、元素分布等层面证实了材料设计的有效性。在析氧反应（OER）性能测试中，该 MPEM 阳极催化剂展现出优异的催化活性与稳定性：在 449 mV 的过电位下，即可实现 0.5 A/cm² 的高电流密度；在 0.1 A/cm² 的工况条件下，连续运行超 200 小时性能无显著衰减。通过对比循环测试前后的微观形貌与晶格结构发现，催化剂的颗粒形态、晶面间距及元素分布均保持高度一致，这为其长效稳定运行提供了直接的结构证据。

       研究成果表明，通过精准调控多主元素的组成比例与电子结构，能够有效优化催化剂的本征活性与结构稳定性，为高性能 OER 材料的开发提供了全新策略。这一突破不仅深化了对多主元素合金催化机制的认识，更在能源转换与存储领域展现出广阔的应用前景，如可应用于电解水制氢、金属 - 空气电池等关键技术场景。

      未来研究将围绕三方面展开：一是进一步优化 MPEM 催化剂的元素配比与微观结构，挖掘其活性位点的协同效应；二是拓展该材料在 CO₂还原、氮还原等新兴电化学领域的应用潜力；三是探索多主元素材料在光催化、热催化等交叉领域的创新应用，推动其从实验室研究向产业化应用的跨越。

原文链接：

Fangren Qian, Jiaqi Wan, Wei Jiang, Rongyao Li, Luocai Yi, Shuangming Chen, Qingjun Chen & Li Song. Unraveling the Durable Water Oxidation Mechanism of Multi-principal Elemental Metal Catalyst. Chem. Res. Chin. Univ. (2025).

 https://doi.org/10.1007/s40242-025-5010-3

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