近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理所孟国文、陈斌研究团队在反式钙钛矿催化电极的制备及高电流密度电解水制氢器件应用方面取得新进展。相关研究成果以“Defect-Driven Surface Reconstruction in High-Entropy Antiperovskite to Generate Mott-Schottky Interface for Boosting Oxygen Evolution”为题发表在国际期刊ACS Nano（ACS Nano, 2026, DOI: 10.1021/acsnano.6c02462）上。
电解水制氢是一种绿色、可持续的氢能制备技术，可将太阳能、风能等间歇式可再生能源产出的绿色电能转化为氢能进行存储，有望解决可再生能源消纳难题。相较于当前已实现商业化应用的碱性（ALK）电解水技术与质子交换膜（PEM）电解水技术，阴离子交换膜（AEM）电解水技术兼具ALK技术成本低廉的优势，以及PEM技术电流密度高、启停响应速度快的突出特点，具有广阔的工业应用前景。析氧反应（OER）是电解水制氢过程中的核心半反应，涉及多步质子耦合电子转移过程，反应动力学缓慢，是制约电解水制氢整体能效的关键。然而，现有OER催化剂的活性、稳定性难以满足工业级高电流密度下AEM电解水制氢的规模化应用需求。
鉴于此，研究人员设计制备了一种泡沫镍（NF）负载的多元过渡金属基高熵反式钙钛矿InN(NiCoFeCrV)3@NF一体化电极，成功实现在反式钙钛矿（AXB3）中单一B位点的精准元素调控。结构表征结果显示，相较于一元的InNNi3，所制备的InN(NiCoFeCrV)3的晶胞体积显著增大，其结构中A位In原子柱和B位Ni/Co/Fe/Cr/V原子柱呈现交替有序的排列特征，充分验证了高熵反式钙钛矿的成功构筑。X射线光电子能谱分析进一步证实，B位多元金属元素的高熵调控效应引发了材料结合能偏移，表明B位金属原子之间存在电荷转移行为，可有效促进电极表面原位重构，促进OER反应高效进行。
InN(NiCoFeCrV)3@NF一体化电极在1.0 M KOH电解液中表现出优异的OER性能，在100 mA cm-2电流密度下的过电位仅为279 mV，并能够稳定运行500小时以上。该电极与Pt/C电极组装成的碱水（ALK）电解槽，在工况仅需1.558 V的槽电压下即可驱动500 mA cm-2的电流密度。此外，研究人员将InN(NiCoFeCrV)3@NF一体化电极与Pt/C电极进一步组装成AEM电解槽，仅需1.662 V槽电压即可实现500 mA cm-2的电流密度，并且在稳定运行400小时后性能无明显衰减，表现出良好的工业应用潜力。
通过原位表征技术和理论计算，研究人员发现Cr和V的可控溶出行为有效促进了反式钙钛矿的表面重构动力学，可在反应起始阶段生成高OER活性的非晶态羟基氧化物，同时完好保留材料内部晶体结构，保障电极整体结构稳定性。此外，表层羟基氧化物半导体与内层类金属反式钙钛矿基底可构筑形成Mott-Schottky异质接触界面，建立内建电场，从而构筑快速电荷传输通道，显著提升了OER动力学性能。基于高熵效应与Mott-Schottky效应的双向协同增强机制，该电极最终实现了高电流密度工况下高效、稳定的电解水制氢性能。
该工作不仅提出了基于高熵调控的反式钙钛矿催化剂设计策略，有效突破了传统催化剂活性与稳定性难以兼顾的技术痛点，而且系统阐明了高熵反式钙钛矿材料的原位表面重构规律以及Mott-Schottky异质结的电荷转移作用机理，为面向工业级AEM电解水制氢非贵金属催化剂的开发提供了新的设计思路和理论指导。
相关研究工作得到了国家自然科学基金和合肥物质院院长基金的支持。合肥物质院为第一完成单位与通讯单位，固体所博士生张靖为第一作者，孟国文研究员、陈斌研究员为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02462
图1. InN(NiCoFeCrV)3@NF一体化电极的结构与形貌表征。
图2. InN(NiCoFeCrV)3@NF一体化电极的OER性能测试。
图3. InN(NiCoFeCrV)3@NF电极的表面重构机制。
图4. InN(NiCoFeCrV)3@NF电极的Mott-Schottky接触及电荷转移机制。
图5. InN(NiCoFeCrV)3@NF的碱水电解槽与阴离子交换膜电解槽性能测试。
