西安交大一附院MED-X研究院团队在原子级熵调控策略实现非贵金属高效电催化析氯方面取得重要进展

氯气及其活性氯物种不仅是化工生产的重要原料，更是医疗消毒、水处理、感染控制领域的核心杀菌剂。本研究开发的高效、稳定析氯催化剂，为实现低成本、按需、便携式的现场氯消毒剂制备提供了全新解决方案。该研究揭示的高熵材料调控反应路径的机制，启发研究人员探索利用类似的电催化策略，在肿瘤区域原位生成高选择性细胞毒性物质，为开发新型电催化肿瘤治疗方法奠定了材料与理论基础。

针对这一挑战，西安交通大学第一附属医院MED-X研究院再生与重建医学研究所吕毅教授、刘晓菲副研究员以及动力工程多相流国家重点实验室沈少华教授等多学科团队提出了原子级“熵引导”（entropy-guided）材料发现策略，从单一的CoSb₂O₆结构出发，通过DFT系统计算不同金属取代后形成能与晶格兼容性，从元素周期表中筛选出10种金属构建可稳定共存的高熵体系（MSb₂O₆，M = Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn）。进一步结合图神经网络（GNN）与蒙特卡洛采样，在10⁵个可能构型中预测出最具热力学与电催化优势的组合，揭示高熵材料的多组元无序结构可降低体系自由能（ΔG = ΔH − TΔS）并优化活性位的电子分布。理论计算表明，随着金属组元由2、6到10种逐步增加，反应能垒不断降低，Cu位点成为最优活性中心。

团队随后采用1173 K固相煅烧法成功合成出纯相十元MSb₂O₆高熵氧化物，并通过XRD、HAADF-STEM和ICP-OES确认其为均一分布的三金红石结构。应力分析进一步揭示该体系具有显著的晶格应变，从而弱化了金属-氧键、增强了电子迁移与中间体吸附能力，显著加快Cl^–的电化学氧化动力学。在4 M NaCl-HCl电解体系中，十元高熵催化剂在10 mA cm^-2时过电位仅24 mV，具有超过95%的法拉第效率以及160小时无衰减稳定性。其质量活性高达78.1 A g^-1，是商用DSA的约两倍，而成本仅0.46美元/m²，体现出显著的工业应用潜力。机理分析表明，该体系遵循Cl吸附路径而非OCl路径，Cu位点周围的高熵环境与氧空位协同降低了反应能垒。密度态计算也显示该材料在费米能级附近具有高电子态密度，有利于电子转移与中间体吸附。

目前，该研究成果以《熵引导发现十元三金红石锑酸盐用于电催化析氯反应》（Entropy-guided discovery of denary trirutile antimonates for electrocatalytic chlorine evolution）为题发表于能源领域顶级期刊《焦耳》（Joule）。该研究通过“ML+DFT设计”的策略实现了以多元素无序促进电子结构优化并加速催化剂的发现。通过熵效应调控多元金属锑酸盐的电子结构与表面应变，在非贵金属体系中实现接近理想反应能垒的电催化行为。该研究不仅为绿色化工提供了替代方案，更开创了“高效工业催化剂”向“新型生物医学功能材料”跨界应用的新范式。未来，团队将重点推进该材料在植入式抗感染医疗器械、便携消毒微系统及电催化治疗等方向的应用基础研究，推动科研成果服务人民生命健康。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435125003812