引言

选择性加氢将硝基芳烃转化为芳香胺在科学和技术上具有重要意义，因为芳香胺是农用化学品、药品、染料和颜料等合成中的重要中间体。虽然贵金属催化剂（如 Pt、Pd、Au 和 Ru 基体系）表现出优异的活性和选择性，且在温和条件下有效，但其固有的稀缺性和高昂成本限制了工业规模应用。因此，开发经济高效的替代品势在必行。

过渡金属如 Fe、Co、Ni 和 Cu 及其合金因其具有竞争力的催化性能和经济可行性，已成为有前景的替代品。然而，传统的过渡金属纳米粒子催化剂存在固有限制，包括粒子聚集、结构不稳定和金属浸出，导致快速失活。

高熵合金（HEAs）作为创新的非均相催化剂备受关注，这得益于其独特的组成依赖协同效应、出色的热稳定性和耐腐蚀性。HEAs中可调的多金属配位环境能够精确调节吸附位构型以实现目标催化性能。此外，实验和计算研究表明，将过渡金属催化剂与碳基体结合可显著提高活性和耐久性。然而，目前的研究主要侧重于物理限制效应或简单的分子吸附机制，而对碳壳介导的电子相互作用的基本理解仍然模糊。因此，构建碳载多金属合金体系对于阐明催化过程中的结构-活性关系至关重要。

在这项研究中，东北大学的秦高梧教授和曹凤教授研究团队，在环境与能源催化领域顶级期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》（IF=24.4）发表最新研究成果！题为《Electrospinning synthesis of N-doped graphene encapsulated FeCoNiCrCu high-entropy alloy nanoparticles for efficient nitrobenzene hydrogenation》，该研究构建了一种碳载多金属高熵合金体系，即封装在氮掺杂碳纳米纤维中的 FeCoNiCrCu高熵合金纳米粒子 (FeCoNiCrCu@N-CNFs)。 本工作旨在通过该体系阐明催化过程中的结构-活性关系，特别是多金属核与杂原子掺杂碳基体之间的协同电子相互作用的催化潜力。

创新亮点

1、新颖的催化剂体系构建：通过简便易行的静电纺丝-碳化策略，成功构建了一种新型的氮掺杂碳纳米纤维封装的 FeCoNiCrCu 高熵合金纳米粒子催化剂 (FeCoNiCrCu@N-CNFs)。这种核-壳结构设计独特，利用碳纳米纤维作为载体和封装层。

2、卓越的催化性能和稳定性：所制备的 FeCoNiCrCu@N-CNFs 催化剂在硝基芳烃选择性加氢反应中表现出极高的催化活性（例如，使用水合肼作氢源，60℃下 20 分钟内硝基苯完全转化，TOF高达 98.91 h⁻¹）和优异的选择性 (>99% 苯胺产率)。同时，该催化剂展现出出色的循环稳定性，经过5次催化循环后，活性没有明显损失。

3、深入阐明协同电子相互作用机制：研究通过实验（XPS）和理论计算（DFT）揭示了高熵合金核心与氮掺杂碳壳之间的协同电子相互作用。特别是证明了碳壳的存在诱导了高熵合金的d带中心上移，这种电子结构的调控显著增强了反应中间体的吸附，从而提高了催化反应动力学。

4、普适性的设计理念：本工作构建的碳封装高熵合金体系及其性能优化机制，为设计高效、稳定且具有精确界面的碳载多金属催化剂提供了普适性的策略和新的范例，为可持续化学转化开辟了新途径。

图文解析

图1：通过静电纺丝与碳化技术制备出FeCoNiCrCu高熵合金纳米颗粒均匀分布在氮掺杂碳纳米纤维中的核壳结构催化剂

图2：XRD图谱揭示FeCoNiCrCu@N-CNFs具有单一面心立方（fcc）相结构，合金粒径受热处理温度影响并随温度升高而增大

图3 ：Raman、BET及XPS分析表明催化剂具有高比表面积、丰富孔结构和强金属-碳电子相互作用

图4 ：FeCoNiCrCu@N-CNFs在室温条件下实现高效硝基苯氢化，表现出优异的催化活性、选择性和速率常数

图5 ：DFT计算揭示氮掺杂碳层调控高熵合金电子结构，提升中间体吸附能力并降低反应能垒

图6 ：FeCoNiCrCu@N-CNFs在多次循环后仍保持结构稳定和高催化活性，展现出优异的耐久性和可重复性

总结与建议

该研究开发了一种简便的静电纺丝–碳化策略，成功制备出氮掺杂碳纳米纤维包覆的高熵合金（FeCoNiCrCu@N-CNFs）纳米催化剂。这一材料在硝基芳香化合物的选择性加氢反应中表现出：极高的活性与选择性（如99%苯胺产率）；优异的稳定性（5次循环性能不衰减）；结构上具备良好的核壳结构与均匀的多金属分布；DFT计算证实氮掺杂碳壳层有效提升了催化反应的电子结构调控能力，实现强金属–碳相互作用、提升中间体吸附能力并降低反应能垒。研究通过实验和理论计算揭示了高熵合金核心与氮掺杂碳壳之间的协同作用机制，包括：

（1）电子结构调控：金属-碳之间的电荷转移改变了合金的电子结构。

（2）空间限域效应：碳壳有效防止了纳米粒子聚结。

这些协同效应是实现催化剂高活性和稳定性的关键。本工作为设计具有精确界面的碳封装高熵合金催化剂提供了一种普适性策略，对可持续化学转化具有重要意义。建议未来工作可聚焦于优化金属组分与碳壳结构以进一步提升催化性能，深入探究金属与碳界面的电子相互作用机制，并拓展该材料在其他重要催化反应及实际工业条件下的应用潜力，从而推动高性能、低成本非贵金属催化剂的开发与产业化。

DOI:10.1016/j.apcatb.2025.125473