综述：高熵材料在电催化应用中的最新进展

这篇综述系统阐述了高熵材料(HEMs)在电催化领域的前沿进展，重点探讨了其多元素协同效应、四大核心特性（高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变和鸡尾酒效应）及在能源转换（HER/OER/ORR/CO2RR）与存储中的创新应用，为设计高性能非贵金属催化剂提供了理论框架与技术路线。

　　

高熵材料(HEMs)的电催化革命

引言

随着化石燃料危机加剧，高熵材料(HEMs)作为由五种以上元素组成的单相晶格结构材料，凭借其独特的物理化学性质和超高催化活性成为能源领域新宠。这类材料通过多元素协同作用，显著提升了氢析出反应(HER)、氧还原反应(ORR)等关键电化学过程的效率，为清洁能源技术带来突破性进展。

HEMs的基础特性与理论突破

高熵材料的四大核心特性构成其卓越性能的基础：

1. 1.

   高熵效应：多元素随机分布形成的构型熵稳定单相结构

2. 2.

   迟滞扩散效应(Sluggish diffusion)：晶格畸变延缓原子迁移，提升热稳定性

3. 3.

   晶格畸变：多元素尺寸差异产生的应力场优化电子结构

4. 4.

   鸡尾酒效应：元素间相互作用产生超越单金属的协同活性

理论计算表明，混合焓(ΔH_mix)、原子尺寸差(δ)和电负性差(Δχ)是预测HEMs相稳定性的关键参数。例如，当ΔS_conf>1.61R时，熵驱动力足以克服焓不利，形成稳定单相。

合成策略的创新

湿化学法（如溶剂热法）通过表面配体（PVP、CTAC等）精确控制纳米颗粒尺寸；机械合金化则适用于大规模制备高熵硼化物(HEBs)和氧化物(HEOs)。突破性进展包括：

• •

  三乙二醇溶剂中合成的FeCoNiCuMn HEA纳米颗粒展现2.5倍于Pt/C的ORR活性

• •

  等离子体烧结制备的(TiZrHfNbTa)C HEC在酸性介质中实现>100小时稳定性

结构-性能的构效关系

同步辐射XAS分析揭示，HEMs中多金属位点的d带中心下移优化中间体吸附能。典型案例如：

• •

  (FeCoNiCrMn)₃O₄ HEO的Cr³⁺位点使OER过电位降低至270mV

• •

  PtPdRhIrRu HEA通过应变效应将CO₂RR法拉第效率提升至92%

前沿应用场景

1. 1.

   水分解：NiFeCoMnCu HEA在1M KOH中实现10mA/cm²电流密度仅需198mV过电位

2. 2.

   锌空电池：FeCoNiMoW HEA驱动的空气阴极展现1.52V开路电压

3. 3.

   CO₂转化：AuAgCuPdPt HEA将甲酸选择性提高至88%

挑战与展望

当前HEMs面临三大瓶颈：

1. 1.

   公斤级合成成本高达传统催化剂3-5倍

2. 2.

   多元素表征需结合HAADF-STEM与EDS三维重构

3. 3.

   理论模型对五元以上体系预测精度不足

未来方向包括开发机器学习辅助设计系统，以及利用HE-MOFs模板构建原子级分散催化剂。正如研究者所言："高熵材料的魅力在于其近乎无限的元素组合可能，这既是机遇也是重大挑战。"