在工业电化学领域，氯气制备的能效与成本长期受限于贵金属阳极的高成本与稀缺性。近日，西安交通大学沈少华/刘晓菲（吕毅团队）联合提出一种原子级“熵引导”设计策略，成功构建出十元高熵三金红石结构锑酸盐（MSb₂O₆）催化体系，借助机器学习（ML）与密度泛函理论（DFT）的协同加速，实现了超越贵金属阳极的析氯（CER）性能。

2025年11月11日，研究成果以“Entropy-guided Discovery of Denary Trirutile Antimonates for Electrocatalytic Chlorine Evolution”为题在线发表于Joule期刊。论文通讯作者是刘晓菲副研究员、沈少华教授和吕毅教授；第一/共同第一作者是金田、陈品。

氯气是现代化工体系中最重要的基础原料之一，全球每年产量超过7,000万吨，主要通过盐水电解制得。然而，氯气电解制备的核心阳极长期依赖含贵金属的“尺寸稳定阳极”（DSA），如RuO₂与IrO₂，尽管性能优异，但高成本与资源稀缺成为制约氯碱工业绿色转型的关键瓶颈。面对能源转型与双碳目标，开发兼具高活性与高稳定性的非贵金属析氯电极已成为行业和学术界的共同目标。针对这一挑战，研究团队提出了原子级“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。

图1：基于机器学习与密度泛函理论的原子级“熵引导”十元高熵MSb₂O₆设计流程。

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，从而显著加快Cl^-的电化学氧化动力学。

图2：十元高熵MSb₂O₆的结构表征与应力分析。

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。

图3：电催化CER性能测试。

图4：电催化CER机理研究。

这项工作通过“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。该研究不仅为氯碱工业提供了可替代贵金属阳极的低成本解决方案，也展现了人工智能与熵工程在电催化材料理性设计中的巨大潜力。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102200