直接海水电解可直接利用丰富的海水资源制取绿氢，省去海水淡化步骤，从而降低成本并提升系统整体的可持续性。然而，直接电解海水面临的一个主要问题就是发生在阳极的竞争性析氯反应（CER），不仅影响电解的整体能效，还会产生对环境不友好且具有腐蚀性的氯气（Cl2）或次氯酸盐（ClO⁻），进而对电解槽材料和部件的耐用性构成重大挑战。在之前的研究中（Advanced Materials 2024, 36, 2308647），研究人员发现通过在阳极引入小分子氧化反应（AOR），能够大大降低阳极反应电位，在析氧反应（OER）和析氯反应发生前就产生较大的电流密度，从而可以完全规避CER的发生。这样的策略不但可以大幅提高电解过程的能效，同时可以生成具有高附加价值的产物，实现低成本、节能和无析氯的直接海水电解制氢。
在众多的AOR反应中，硫离子氧化反应（SOR）因为具有超低的阳极氧化电势且其氧化产物为可溶性多硫化物引起了研究人员的关注。尽管目前SOR催化剂已经有诸多报道，但绝大部分为自支撑电极，与传统CCM工艺兼容的粉体高性能SOR催化剂研究较少。最近，能源转换与存储材料团队的研究人员利用焦耳加热装置成功合成了FeCoNiMnCuO高熵氧化物纳米颗粒（图1a）。焦耳加热系统可以使负载在碳载体上的前驱体在50 ms内升到约1000 ℃的高温并在1s内快速降温（图1b）。这样极短的加热时间（约50 ms）不仅能有效地将金属硝酸盐还原成高熵纳米颗粒，还能抑制纳米颗粒的过度生长，防止其团聚。同时，超快的冷却速度可对结晶过程进行动力学控制，防止相分离的发生，从而形成尺寸较小、成分均一的高熵纳米颗粒。将FeCoNiMnCuO高熵氧化物纳米颗粒作为SOR催化剂进行直接海水电解，能够在0.353 V vs. RHE条件下实现100 mA cm⁻2的电流密度；相比之下，在碱性海水（即1.0 M NaOH +seawater）中要达到相同的电流密度，需要高达1.701 V vs. RHE的电位（图1c），这表明SOR在节约电解能耗方面具有非常明显的优势（100 mA cm⁻2时的电压降高达1.35 V）。进一步借助原位同步辐射和DFT理论计算（图1d），研究人员发现在SOR过程中，硫离子极易在材料表面和金属位点结合形成金属硫化物并进一步催化SOR。此外，研究人员利用碳载FeCoNiMnCuO高熵氧化物作为阳极SOR催化剂，商用Pt/C作为阴极析氢反应（HER）催化剂，在膜电极中进行了混合电解海水测试。结果表明，SOR辅助的海水电解系统在70 ℃温度下表现出卓越的长期稳定性，能够在500 mA cm⁻2的电流密度下连续运行500小时以上而性能不发生衰减（图1e），证明其在利用海水低成本制取氢气方面巨大的应用潜力。
图1. （a）FeCoNiMnCuO纳米颗粒合成示意图；（b）焦耳热过程的温度-时间曲线。插图为加热过程中腔体的照片；（c）FeCoNiMnCuO纳米颗粒在（2.0 M Na2S + seawater）电解液中和在碱性海水（1.0 M NaOH + seawater）中的极化曲线；（d）FeCoNiMnCuO高熵催化剂和对比样进行SOR的台阶图；（e）含有FeCoNiMnCuO纳米颗粒和Pt/C HER催化剂的膜电极在500 mAcm-2电流密度下的长期稳定性。
本工作以“Joule-Heating Synthesis of High-Entropy Oxide Nanoparticles as Sulfion Oxidation Catalysts for Efficient and Durable Hybrid Seawater Electrolysis”为题于2025年6月 6号发表在领域内知名期刊《Advanced Functional Materials》上。能源转换与存储材料团队-华南师范大学联培硕士生苏伟峰、团队黄浩量副研究员、大湾区大学硕士生黄淘敬为文章的共同第一作者，能源转换与存储材料团队刘利峰研究员、华南师范大学陈祖信副研究员、大湾区大学夏广杰研究员为文章的共同通讯作者。松山湖材料实验室为文章的通讯单位。
该文章的网络链接为：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202506415
