郑州大学张宁/李国胜/尚会姗,最新AEM!铝导向两性自重构助力高熵AlFeCoNiCuCr-LDH实现高效全解水!

高熵催化剂中的电化学自重构对其催化活性和稳定性起决定性作用，然而不受控结构演化往往会导致性能下降，这使得精确调控这些界面路径成为一项主要瓶颈。

2026年06月10日，郑州大学张宁、李国胜、尚会姗团队在Advanced Energy Materials期刊发表题为“Aluminum-Directed Amphoteric Self-Reconstruction in High-Entropy AlFeCoNiCuCr-LDH for Efficient Overall Water Splitting”的研究论文，郑州大学Li Juan、Yang Yinze为论文共同第一作者，张宁、李国胜、尚会姗为论文共同通讯作者。

第一作者：Li Juan、Yang Yinze

通讯作者：张宁、李国胜、尚会姗

通讯单位：郑州大学

论文DOI：10.1002/aenm.71178

该研究报道了一种含铝高熵层状双氢氧化物（Al-HELDH），并阐明了其两性自重构机制。在电化学活化过程中，两性铝物种的选择性浸出显著增加了金属活性位点的可及性，同时诱导了表面富集的Al(OH)ₓ羟基层的形成。该羟基化界面有效调控了吸附与解离过程，稳定了重构的催化表面，并同时提升了催化活性与耐久性。原位光谱和密度泛函理论DFT计算证实镍是主要的催化中心，其他金属物种则协同调控局域电子环境。得益于协同的高熵效应和功能化的Al(OH)ₓ界面层，重构后的Al-HELDH显著降低了关键反应步骤的界面能垒并加速了反应动力学。在10mA cm⁻²的电流密度下，该催化剂对析氢反应（HER）和析氧反应（OER）分别表现出64mV和226mV的过电位，并能稳定运行超过1000小时。该研究建立了一种基于重构的设计策略，为开发用于可持续制氢的非贵金属双功能催化剂提供了一条可靠路径。

化石燃料的持续消耗和日益严峻的环境挑战使得开发清洁和可持续能源系统成为当务之急。氢气以其高能量密度和零碳排放的特点，已成为一种有前景的能源载体。电化学水分解为大规模制氢提供了一条可行路径，该过程耦合了析氢反应（HER）和析氧反应（OER）。然而，在碱性条件下，这两个半反应都受到缓慢动力学的限制，导致显著的能量损失和电解效率降低。对高性能水解制氢的追求越来越聚焦于通过设计经济高效的双功能材料来超越催化效率与耐久性之间的权衡关系。

层状双氢氧化物（LDHs）因其独特的二维框架和可及的层间通道（能够简化电解质扩散和离子传输）而成为水分解制氢的理想候选材料。然而，传统的LDHs仍然存在电子可调性受限和结构稳定性不足的问题，特别是在恶劣碱性介质中的实际运行条件下。高熵LDHs（HE-LDHs）通过将多种金属元素整合到单相晶格中，超越了这些限制(公众号：生化环材人)。由此产生的鸡尾酒效应和晶格畸变不仅拓宽了电子态的调控空间，还增强了主体框架的热力学结构稳定性。因此，HE-LDHs提供了一个有前景的材料平台，以克服传统LDH体系的内在局限性。

随着高熵LDHs中构型熵增加导致体系复杂性提高，不同的组成元素在工作条件下经常引发显著的表面自重构。这种电化学诱导的重构在过渡金属基催化剂中很常见，并决定了它们的活性和稳定性，研究人员先前对多金属体系的研究也证实了这一点。然而，表面重构通常伴随着局域晶格塌陷、表面钝化和关键活性位点的损失，特别是在水解制氢的苛刻电位和强碱性条件下，导致严重的性能退化。将界面演化引导至动力学有利且结构稳健的路径仍然是一项巨大挑战。

在此，该研究策略性地采用铝作为两性调节剂，在还原和氧化条件下均表现出特定的化学响应，从而在Al-HELDH中实现有效且可控的表面重构。在电化学活化过程中，铝从层状骨架中局部溶解，诱导表面缺陷的形成，同时促进Al(OH)ₓ物种在催化剂表面的原位富集。所产生的表面缺陷显著增加了金属活性位点的暴露，提升了本征催化活性，而原位形成的Al(OH)ₓ层则建立了一个稳定的羟基化界面，减轻了金属浸出和持续腐蚀(公众号：生化环材人)。活化后的Al-HELDH在碱性电解液中驱动10mA cm⁻²的电流密度时，对HER和OER分别表现出低至64mV和226mV的过电位，并能稳定运行超过1000小时。这些结果清楚地证明了这种两性自重构策略在设计高性能、耐用的双功能电催化剂方面的有效性和普适性。

图1 (a) Al-HELDH的合成示意图。(b) TEM图像。(c和d) Al-HELDH在HER和OER活化后的高分辨透射电子显微镜图像。(e) Al 2p的高分辨XPS谱图；(f) Ni 2p的高分辨XPS谱图；(g) XRD图谱；(h和i) 由Al-HELDH及其活化态的同步辐射全X射线散射数据生成的PDF图谱。

图2 在1.0M KOH中的HER性能。(a) LSV曲线。(b) Al-HELDH及其对照样品在不同电流密度下的性能比较。(c) Tafel斜率。(d) Al-HELDH和(e) HELDH在1M KOH溶液中施加电位下的原位EIS测试。(f) η₁₀、η₅₀、η₁₀₀、Tafel斜率和C _dl的比较。(g) 5000圈CV循环前后的LSV曲线。(h) Al-HELDH在10和100mA cm⁻²下的连续长循环性能测试。

图3 在1.0M KOH中的OER性能。(a) LSV曲线。(b) Al-HELDH在不同电流密度下的过电位。(c) Tafel斜率。(d) Al-HELDH在1.35V电位下的原位Nyquist图(公众号：生化环材人)。(e) Al-HELDH在不同电位下的原位Bode相位角图。(f) Al-HELDH与HELDH在不同电位下的原位相角比较。(g) Al-HELDH在5000圈CV循环前后的LSV曲线。(h) Al-HELDH在10和100mA cm⁻²下的连续长循环性能测试。

图4 (a) Al-HELDH和(b) HELDH在不同施加电位（0至-0.5V vs. RHE）下的原位拉曼光谱。插图中的模型展示了2-HB-H₂O和4-HB-H₂O的分子模型(公众号：生化环材人)。(c,d) 在HER和OER过程中，不同施加电位下惰性水分子比例的变化。(e) 吸附水分子的示意图。(f) Al-HELDH在0~-0.5V（vs. RHE）电位范围内的原位拉曼光谱。(g) Al-HELDH在1.2~1.8V（vs. RHE）电位范围内的原位拉曼光谱和(h) 原位FT-IR光谱。

图5 DFT计算分析。(a) 态密度（DOS）及O 2p带中心相对于费米能级的位移。(b) Ni的d带中心（PDOS）位置。(c) 水吸附能垒。(d) 氢吸附吉布斯自由能（ΔG _H*）值。(e和f) AEM路径和LOM路径的吉布斯自由能图。(g) 决速步（RDS）能垒。(h) AEM和LOM路径的示意图。

图6 (a) 双电极系统示意图。(b) 全解水的LSV曲线。(c) 不同电流密度下的性能比较。(d) Al-HELDH产生的H₂和O₂的实际产量与理论产量，以及相应的法拉第效率。(e) Al-HELDH在500mA cm⁻²下的长循环性能测试。