高熵材料：開啟綠色氫能新時代的高效催化劑

隨著全球能源危機與環(huán)境污染問題日益嚴峻，開發(fā)清潔、可再生的氫能成為當務(wù)之急。電化學水分解技術(shù)是綠色制氫的關(guān)鍵路徑，但其核心瓶頸在于高效催化劑的開發(fā)。近日，上海大學與悉尼大學等國際團隊在《能源前沿》期刊發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)闡述了**高熵材料（HEMs）**在電催化水分解中的突破性進展。這種由五種以上金屬元素組成的新型材料，憑借其獨特的“四大效應(yīng)”，展現(xiàn)出媲美貴金屬催化劑的性能，同時兼具成本低、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢，為大規(guī)模綠氫生產(chǎn)提供了全新解決方案。

傳統(tǒng)催化劑的困境與高熵材料的崛起

傳統(tǒng)電催化劑依賴鉑（Pt）、銥（Ir）等貴金屬，但高昂的成本和稀缺性嚴重制約其工業(yè)化應(yīng)用。例如，鉑基催化劑雖在氫析出反應(yīng)（HER）中性能卓越，但全球鉑儲量僅約7萬噸，難以支撐未來氫經(jīng)濟的需求。相比之下，高熵材料通過將五種以上金屬原子以等比例均勻混合，形成單一固溶體結(jié)構(gòu)，不僅突破單一金屬的活性限制，還能通過元素協(xié)同效應(yīng)顯著提升催化效率。論文指出，高熵材料的四大核心特性——高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)、緩慢擴散效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)，是其性能飛躍的關(guān)鍵。

高熵效應(yīng)通過多元素混合提高材料熱力學穩(wěn)定性，抑制成分偏析；晶格畸變由不同原子尺寸差異引發(fā)，產(chǎn)生大量表面缺陷和不飽和配位點，為反應(yīng)中間體提供豐富吸附位點；緩慢擴散效應(yīng)降低原子遷移率，延長催化劑壽命；雞尾酒效應(yīng)則通過多元素協(xié)同優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，加速反應(yīng)動力學。例如，研究團隊合成的PtBiPbNiCo高熵合金納米片，因晶格畸變與元素協(xié)同作用，在HER中過電位低至13 mV（10 mA/cm2），遠超商用鉑碳催化劑。

從實驗室到工業(yè)：高熵材料的制備與應(yīng)用突破

高熵材料的合成策略分為“自上而下”和“自下而上”兩類。自上而下法如機械合金化、脫合金法，通過物理破碎或化學刻蝕調(diào)控材料形貌；自下而上法如碳熱沖擊、溶劑熱合成，則通過原子級自組裝精準控制納米結(jié)構(gòu)。例如，利用碳熱沖擊法可在毫秒級時間內(nèi)合成均勻分散的FeNiCoCrMnV高熵合金，其過電位在1000次循環(huán)后僅下降8 mV，展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。

在電解水應(yīng)用中，高熵材料可同時作為雙功能催化劑，驅(qū)動HER和OER反應(yīng)。以CoNiCuMnAl@C核殼結(jié)構(gòu)為例，其OER過電位低至215 mV（10 mA/cm2），Tafel斜率僅35.6 mV/dec，性能優(yōu)于商用氧化釕（RuO?）。此外，高熵氧化物（HEO）如La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.2Mn0.2Ni0.2Mg0.2O3，通過表面重構(gòu)形成氧空位，顯著提升氧析出活性。團隊通過原位表征發(fā)現(xiàn)，高熵材料在反應(yīng)中會自發(fā)形成活性更高的尖晶石結(jié)構(gòu)，進一步降低能壘。

挑戰(zhàn)與未來：從材料設(shè)計到工業(yè)化落地

盡管高熵材料前景廣闊，但其研究仍處于早期階段。活性位點機制不明確、合成工藝復(fù)雜、規(guī)模化制備困難是當前三大挑戰(zhàn)。例如，多元素隨機分布導致微觀活性位點難以精準解析；部分合成方法依賴高溫高壓或特殊設(shè)備，難以滿足工業(yè)化需求。

對此，研究者提出三大方向：

1. 理論計算與實驗結(jié)合：通過密度泛函理論（DFT）模擬元素協(xié)同機制，指導材料設(shè)計；
2. 綠色合成技術(shù)開發(fā)：探索低溫、低能耗制備工藝，如激光動力學合成；
3. 高通量篩選與數(shù)據(jù)庫構(gòu)建：利用人工智能加速材料成分-性能關(guān)系建模，縮短研發(fā)周期。

推動氫能革命，高熵材料引領(lǐng)未來

高熵材料的出現(xiàn)，為破解電解水催化劑成本與性能的“不可能三角”提供了新思路。其多元素、多活性位點的特性，不僅適用于綠氫制備，還可拓展至燃料電池、二氧化碳還原等領(lǐng)域。隨著合成技術(shù)與機理研究的突破，高熵材料有望成為下一代能源催化劑的核心，加速全球向零碳社會的轉(zhuǎn)型。正如論文通訊作者李文先教授所言：“高熵材料的設(shè)計靈感源于自然界的多樣性，而它的應(yīng)用將重塑人類能源的未來?！?/p>

這項研究得到中國國家自然科學基金等項目的支持，相關(guān)成果已進入中試階段，預(yù)計未來五年內(nèi)推動電解水制氫成本下降30%以上。綠色氫能的時代，正因高熵材料的創(chuàng)新而加速到來。