近日，国家纳米科学中心赵慎龙课题组在高熵合金纳米线构筑及其海水电解直接制氯研究方面取得重要突破。相关研究成果 “High-entropy alloy nanowires for direct electrosynthesis of chlorine from seawater” 发表在《自然·合成》（Nature Synthesis, DOI: 10.1038/s44160-026-00999-5）期刊上。
氯气是现代化学工业的基础原料，广泛用于消毒、制药及材料制造等领域，全球年产量已超过1亿吨。然而目前约95%的氯气仍依赖传统氯碱工艺，该工艺能耗高、碳排放大，并依赖高纯浓盐水原料，难以满足可持续发展需求。海水作为地球最丰富的氯离子资源，被认为是理想的替代原料，但其低Cl-浓度、复杂杂质体系及强腐蚀环境，使商业DSA电极难以兼顾活性、选择性与稳定性。因此，开发能够适应真实海水环境并长期稳定运行的高性能催化体系，是绿色制氯技术发展的关键科学问题。
基于此，赵慎龙课题组前期在高效电解水催化材料、析氯催化剂及海水电解体系方面开展了系统研究，围绕催化剂结构调控、电极稳定性提升及电解系统构建等关键问题取得了一系列重要进展，为海水制氯技术发展奠定了重要基础（Nat. Chem. Eng. 2025, 2, 474; J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 5, 3994; Matter 2025, 8, 102091; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202302795; Nat. Commun. 2023, 14, 2574; Nat. Commun. 2023, 14, 818; Nat. Commun. 2023, 14, 2475; Nat. Energy 2020, 5, 881; Nat. Energy 2016, 1, 16184等）。
最近，赵慎龙课题组通过构筑超细高熵合金纳米线电催化电极，实现了海水电解直接制氯体系的高效稳定运行。该Pt24.8Ni11.8Co13.3Fe15.2Mo34.9高熵合金纳米线具有亚1.2 nm一维结构与显著晶格畸变，可形成大量原子台阶与高曲率位点，在反应过程中原位生成高价Pt–O活性结构，显著增强氯离子的吸附与转化能力。在自主构建的海水流动电解体系中，该电极能够在工业级电流密度10 kA m-2下实现超过98%的析氯选择性，并稳定运行超过5,500小时。同时，技术经济分析表明，该体系相较传统氯碱工艺可显著降低32.8%的总生产成本，其中高熵合金电极促使电力消耗降低超50%，海水替代高纯盐水使原料成本降低超80%。
图1.海水电解电合成氯气：传统DSA电极的核心挑战 vs.高熵合金纳米线的独特优势
图2. 海水电解新型氯碱工艺的工业级运行表现及经济评估
研究团队结合原位X射线吸收谱、原位红外光谱及理论计算，对催化剂反应过程中的结构演化进行系统解析。结果表明，相较于HEA块体材料，超细HEA纳米线催化剂表面优先生成活性氧物种，并形成Pt–O···Cl配位结构稳定关键反应中间体（*OCl），从而降低Cl2生成与脱附能垒。同时，HEA纳米线的原子台阶上的高曲率位点所引起的角边效应可以调控电子结构，有效抑制副反应发生，实现高选择性氯气析出。理论计算进一步证实，该独特结构能够精准调控CER反应中间体吸附强度，在动力学与热力学上均有利于氯气生成。
本工作从高熵合金纳米材料结构设计、反应机理解析到电解系统构建与经济评估，系统展示了海水直接电合成氯气的可行技术路线。研究结果表明，高熵纳米材料在复杂严苛的电解环境中具备独特的稳定性与电子调控能力，为开发新一代绿色氯碱技术提供关键支撑。随着催化剂与电解系统工程化放大和制备工艺与器件集成方案的进一步优化，有望推动氯碱生产由高能耗路径向海水资源驱动的低成本可持续模式转变，为能源-水-化学工业耦合体系的大规模实际应用开辟新道路。
国家纳米科学中心赵慎龙研究员为论文独立通讯作者，助理研究员杨永超为论文第一作者，该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
原文链接: https://doi.org/10.1038/s44160-026-00999-5
