近日，齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部先进材料计算与设计创新团队在国际知名期刊《Small》（IF = 12.1，TOP期刊）上在线发表了题为“Regulating the Electronic Structure via Multi-Transition Metals in Nanoporous High-Entropy Perovskites for Boosted Alkaline Hydrogen Evolution”的研究论文。材料学部2023级研究生薛敏为文章第一作者，材料学部司聪慧副教授为第一通讯作者，王莹博士与山东大学张忠华教授为共同通讯作者，齐鲁工业大学（山东省科学院）为文章第一通讯单位。
氢能因其能量密度高、燃烧产物清洁、资源丰富且转换方式灵活等特点，被视为替代传统化石能源的重要方向。近来，碱性水电解技术引起了广泛关注，然而，碱性析氢反应(HER)动力学缓慢。因此，亟待设计出高效的先进碱性HER催化剂。
针对这一难题，研究团队通过脱合金策略成功合成了一系列纳米多孔La基高熵钙钛矿氧化物(HEPOs)，并将其应用于碱性HER。其中L5M-0Cr (La(Ni0.2Mn0.2Fe0.2Co0.2Ru0.2)O3-δ)展现出优异的活性，在-10mA·cm-2时达到约50.6 mV的低过电位，且Tafel斜率仅为60.1 mV·dec-1，这超越了大多数已报道的钙钛矿基催化剂，甚至在高电流密度下超过了商用Pt/C催化剂。此外，L5M-0Cr在连续运行120小时后展现出显著的稳定性，并在整体水分解系统中表现出良好的性能。为深入揭示其催化机制，研究团队综合运用结构表征、原位拉曼光谱分析和密度泛函理论（DFT）计算表明，高熵体系内的晶格畸变和电荷重新分布能够有效调节电子结构，从而引发Ru 4d轨道与O 2p轨道之间强烈的杂化作用。进一步地，通过理论模拟建立了氢吸附自由能(ΔG*H)与电流密度(log i0)之间的火山型关联，提供了原子尺度的理论依据。这项工作表明，高熵设计能够协同优化钙钛矿材料的微观形貌结构、电子结构及催化性能，从而为开发适用于能源转换应用的有效电催化剂提供了一种颇具前景的策略。
图1 La基HEPOs的微观形貌模型、晶体结构、HER性能、原位分析及火山型规律
该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、齐鲁工业大学(山东省科学院)科教产融合试点基础研究类项目以及山东省泰山学者计划等项目的支持。
