单位：武汉科技大学
【研究背景】
高熵合金（HEA）：又称多主元合金、复杂合金。其最初定义为由5种或5种以上等摩尔比（或接近等摩尔比）元素组成。高熵合金中，各元素原子在晶格位置上呈随机无序分布，因此在热力学上表现出高熵效应，在动力学上表现出慢扩散效应，在结构上表现出晶格畸变效应。高熵合金在力学、电磁学、耐腐蚀、耐高温等方面的性能均优于传统合金。HEA广泛的组分调制范围和固有的复杂表面使得可以获得几乎连续的吸附能分布。这意味着可以通过多重合金化获得最佳吸附强度，从而最大程度地提高活性，使其在催化和储能领域具有巨大优势。
【文章简介】
近日，武汉科技大学王玉华教授团队在国际知名期刊《Nano》上发表了题为《高熵合金的制备与性能》的综述文章。文章综述了高熵合金在合成、力学性能、耐腐蚀性能、高温氧化性能等方面的研究进展，并详细介绍了高熵合金在氢能应用、氧能催化、碳转化、超级电容器等领域的研究进展。文章最后对高熵合金在催化、储能等领域的发展前景与挑战进行了展望。
图1. HEA在氢能应用、氧能催化、碳转化及超级电容器等领域的研究进展
【本文重点】
要点1：高熵合金的定义和结构
当高熵合金中元素数n≥5时，体系的混合熵s≥1.61R，因此，熵（1.61R）可作为区分高熵合金和中熵合金的标准。但基于熵的定义仍然存在争议。目前，高熵合金有四种定义明确的晶体结构，即面心立方（fcc）、体心立方（bcc）、六方密堆积（六方最密堆积）和C14六方最密堆积。局部有序的变化可导致键长的变化，从而产生结构特异性。高熵合金区别于传统合金的特征，即所谓的四种“核心效应”，包括（1）高熵效应、（2）晶格畸变效应、（3）磁滞扩散效应和（4）“鸡尾酒”效应。
图2. 晶体结构与高熵合金的四种主要效应（热力学高熵效应、结构晶格畸变效应、动力学磁滞扩散效应和“鸡尾酒”效应）。
重点二：高熵合金及其纳米颗粒的制备
传统的高熵合金制备方法包括液相合成、固相合成和气相合成，但制备的高熵合金难以达到预期的效果。近年来，研究人员在寻找精确可控的高熵纳米合金制备方法方面取得了一些突破。本文主要介绍碳热冲击法、电沉积法、快速移动床热解法、多元醇法和脱合金法。在章末讨论了每种方法的优缺点，以供实验参考。
图3.碳热冲击法制备高熵合金流程图及合成样品（由五种元素到八种元素）。
重点三：高熵合金在催化、超级电容器等领域的进展
众所周知，催化剂活性的标志是反应分子和中间体的表面吸附能，它由催化剂表面的电子结构决定。广泛的组分调制和固有的复杂表面使得获得几乎连续分布的吸附能曲线成为可能。这意味着我们可以通过多合金化方法实现最佳吸附强度，从而最大化吸附活性。本综述综述了HEA和HEA-NPs的一些重要催化转化反应，包括氨分解、氨氧化、氧还原、CO2/CO还原、水电解、氢析出、氧析出和甲烷氧化，突出了HEA中NPs在催化能量转化方面的潜力。同时，HEA-NPs兼具大比表面积和良好电化学性能的优点，引起人们对HEA-NPs在储能应用方面的开发越来越浓厚的兴趣，并总结了HEA-NPs在超级电容器中的应用。
图4. HEA-NPs的七种催化反应机理。七种催化应用包括：氨分解反应（ADR）、氨氧化反应（AOR）、氧还原反应（ORR）、二氧化碳还原反应（CO2RR）、氢析出反应（HER）、氧析出反应（OER）和甲烷氧化反应（MO）。
第四点：展望
结合不同制备方法的特点，从成本、比表面积、尺寸均匀性、尺寸适用性、元素适用性、基质适用性、生产率等方面进行比较估算，可以避免盲目操作，操作简便，容易获得，结构稳定，易于储存，耐腐蚀，能够批量生产HEA-NPs；HEA-NPs的热力学制备方法趋向于面心立方相结构类型，滑移系较多，如何突破其他相结构类型的HEA-NPs的制备将直接影响其热力学稳定性，需要更多的探索；利用计算辅助工具构建催化剂结构，可以在实验前有效预测制备出的HEA-NPs的良好性能；研究催化性能时必须考虑活性位的核心影响因素，通过有效设置HEA-NPs的多个活性中心才能达到预测合金催化性能的目的；结合计算辅助流程，可以充分定制和优化HEA-NPs的类型； HEA-NPs作为先进的氨氧化与氨分解催化剂、电催化剂以及甲烷燃烧催化剂，具有高效且稳定的催化效率，在工业化、缓解全球资源短缺、节能环保等方面具有明显优势；HEA-NPs的储能应用是一个非常有前景的发展方向；高熵合金在实际工业中未来的应用和发展方向。
【文章链接】
高和:,
【通讯作者简介】
王玉华教授简介：王玉华教授为武汉科技大学理学院三级教授、博士生导师。2004年于河南大学获物理学硕士学位，导师为顾玉宗。2007年于武汉大学获物理学博士学位，导师为蒋昌忠。2011年5月赴意大利国际理论物理中心（ICTP）做访问学者，同年7月进入美国新墨西哥大学物理系光学中心从事博士后研究，合作导师为Sheik-Bahae。主要研究方向为新能源与环境材料、非线性光学。
【第一作者简介】
王逸桐个人资料：武汉科技大学理学院研究生，2021年于河北师范大学获得物理学学士学位，同年在武汉科技大学理学院师从王玉华教授，研究方向为纳米材料的生长成核机理及纳米材料的设计。