高熵与多组分掺杂材料在能源应用中的创新：推动能源转换与存储技术发展

《International Journal of Minerals Metallurgy and Materials》：Editorial for special issue on high-entropy and multicomponent-doped materials for energy applications: Innovations in energy conversion and storage

本专刊聚焦高熵材料(HEMs)与多组分掺杂材料在能源转换与存储领域的创新应用。研究人员通过调控构型熵和探索广阔的成分空间，开发出具有优异性能的新型材料体系，成功解决了固体氧化物电池(SOCs)电极活性与稳定性、氢存储动力学缓慢、电解水反应(OER)催化剂成本高等关键问题。研究成果包括开发出高效稳定的HE-LSCF空气电极、具有电子陷阱的非晶高熵硼化物催化剂、超薄二维中熵合金OER电催化剂等，为碳中和目标下的清洁能源技术提供了新材料解决方案。

　　

在全球能源转型和碳中和目标的大背景下，开发高效、稳定的能源转换与存储材料已成为材料科学和能源技术领域的迫切需求。传统材料在性能、稳定性和成本方面往往难以兼顾，特别是在高温电化学器件、氢能技术和可再生能源存储等前沿领域，材料创新成为制约技术突破的关键瓶颈。高熵材料(High-entropy materials, HEMs)和多组分掺杂材料(Multicomponent-doped materials, MCMs)作为新兴材料体系，通过最大化构型熵和多元协同效应，展现出独特的物理化学性质和广阔的应用前景，为能源技术的革新提供了新的解决方案。

本专刊汇集了21篇高水平研究论文，系统展示了高熵材料在固体氧化物电池、氢存储与生产、锂钠离子电池等能源领域的创新应用。研究人员通过先进的材料设计策略和合成技术，成功解决了能源转换与存储中的多个关键挑战。

为开展本研究，研究人员主要采用了高熵材料设计策略、溶胶-凝胶法、机械球磨技术、电化学性能测试等方法。研究涉及来自中国、波兰等多国研究机构的样本和材料体系。

1. HEMs和MCMs用于固体氧化物电池

Wang等人全面综述了HEMs在SOC电极、电解质和连接体方面的研究进展，为高熵设计策略提供了重要指导。Zhu等人开发的A位高熵工程钙钛矿氧化物La_0.2Pr_0.2Nd_0.2Ba_0.2Sr_0.2Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(HE-LSCF)作为管式可逆SOC的高效空气电极，在700°C下实现了1.18 W·cm^-2的峰值功率密度和-0.52 A·cm^-2的电解电流密度。Winiarski等人系统研究了多组分Gd_1-xSm_xBa_0.5Sr_0.5CoCuO_5+δ双钙钛矿作为SOC氧电极材料，发现Gd_0.75Sm_0.25Ba_0.5Sr_0.5CoCuO_5+δ在700°C电解模式下表现出0.46 W·cm^-2的功率密度。

2. HEMs和MCMs用于氢存储和生产

Sun等人综述了多组分掺杂材料特别是HEMs在催化镁基氢存储系统方面的最新进展。Wang等人通过简易还原法设计了具有电子陷阱的非晶高熵硼化物，显著提高了MgH₂的氢存储性能。Yadav等人研究了通过高能 attrition ball milling（高能球磨）合成的纳米晶Al-Cr-Cu-Fe-Ni高熵合金(HEA)，该合金在300°C下3分钟内可吸收约2.1wt%的H₂，显示出快速的氢吸收和解吸动力学。

3. HEMs和MCMs用于其他能源应用

Wang等人综述了HEMs在锂离子电池、钠离子电池等电化学能源存储系统中的基本特性和性能增强机制。Yu等人采用TiO₂和Co₃O₄的构型策略改善了O3型NaNi_0.4Fe_0.2Mn_0.4O₂正极的结构和电化学稳定性，有效缓解了Jahn-Teller畸变和Na⁺/空位有序化。Li等人通过原位、无表面活性剂的溶剂热法开发了多组分Ag-Cu-Zn-Sn-S负载石墨毡(ACZTS/GF)电极，显著提高了多硫化物/碘化物液流电池(SIFBs)的性能。

本研究通过高熵材料和多元掺杂策略的成功应用，证明了构型熵调控和成分复杂性设计在提升能源材料性能方面的巨大潜力。研究成果不仅解决了固体氧化物电池、氢存储、电池材料等领域的具体技术难题，更重要的是为新型能源材料的设计开发开辟了新的思路和方法。特别是机器学习辅助设计、先进表征技术与高熵材料概念的结合，为加速新材料发现和性能优化提供了强大工具。这些创新性工作将推动高熵材料在能源转换与存储领域的实际应用，为全球能源转型和碳中和目标的实现提供重要的材料基础和技术支撑。