综述|催化和超级电容器中的高熵合金：进展，前景

锂电联盟会长 2022-11-16 12:30 1931浏览 0评论 0点赞

多物理场仿真在半导体制程中的应用 GaN电机驱动设计“避坑”指南

点击左上角“锂电联盟会长”，即可关注！

文章信息

催化和超级电容器中的高熵合金：进展，前景

第一作者：王一彤

通讯作者：王玉华*

单位：武汉科技大学

研究背景

高熵合金（High-entropy alloys，HEAs）：也称多主元合金、成分复杂合金。最初定义为由5种或5种以上元素以等摩尔比（或近等摩尔比）组成。在高熵合金中，各种元素的原子无序随机的分布在晶格位置上，因此在热力学上表现出高熵效应，在动力学上表现缓慢扩散效应，在结构上表现晶格畸变效应。

高熵合金在力学、电磁学、抗腐蚀、耐高温等方面相较于传统合金都表现更优异。HEAs广泛的成分调制和固有的复杂表面使获得几乎连续的吸附能量分布]成为可能。这意味着可以通过多重合金化获得最佳的吸附强度，从而最大限度地提高活性，使其在催化和储能领域具有巨大优势。

文章简介

基于此，来自武汉科技大学的王玉华教授团队，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“High-entropy alloys in catalyses and supercapacitors: Progress, prospects”的综述文章。该文章综述了HEAs在合成、力学性能、耐腐蚀性能和高温氧化性能等方面的研究进展。此外，还详细介绍了HEAs在氢能应用、氧能催化、碳转化和超级电容器等方面的研究进展。在文章最后展望了HEAs在催化和储能领域的发展前景和挑战。

图1. HEAs在氢能应用、氧能催化、碳转化和超级电容器等方面的研究进展

本文要点

要点一：高熵合金的定义及结构

当高熵合金元素数n大于或等于5时，系统的混合熵s大于或等于1.61 R。因此，熵（1.61 R）可以作为区分高/中熵合金的标准。但是，基于熵的定义仍然存在争议。到目前为止，HEAs已经有四种明确的晶体结构，分别是面心立方（面心立方）、体心立方（体心立方）、六角形致密行（六方最密堆积）和C14六方最密堆积。局部顺序的改变会导致键长的变化，从而产生结构的特异性。HEAs与传统合金不同的特点，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) 迟滞扩散效应和

(4) “鸡尾酒”效应。

图2. 晶体结构和高熵合金的四种主要效应（热力学的高熵效应、结构晶格畸变效应、动力学迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应）。

要点二：高熵合金及高其纳米颗粒的制备

传统的高熵合金的制备方法包括液体合成、固态合成和气态合成。但制备出的高熵合金很难达到预期效果。近些年，研究者们在探寻精确可控的高熵纳米合金制备方法中取得了一些突破。本文重点介绍碳热冲击法、电沉积法、快速移动床热解法、多元醇法和脱合金法等。并在章节最后讨论了各个方法的优缺点，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（从五元多八元）。

要点三：高熵合金在催化和超级电容器中的进展

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，而催化剂表面的电子结构决定了表面吸附能。广泛的成分调制和固有的复杂表面使获得几乎连续的吸附能量分布分布成为可能。这意味着我们可以通过多合金化的方法获得最佳的吸附强度，从而最大限度地提高吸附活性。

本文综述了HEAs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、析氢、析氧、甲烷氧化等，突出了HEAs中NPs在催化能量转化中的应用潜力。同时HEA-NPs结合了大比表面积和良好的电化学性能的优势，导致人们对HEA-NPs在储能应用中的开发越来越感兴趣，并总结了HEA-NPs在超级电容器中的应用。

图4. HEA-NPs的7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）、氢进化反应（HER）、氧进化反应（OER）、甲烷氧化反应(MO).

要点四：展望

1 结合不同制备方法的特点，在成本、比表面积、尺寸均匀性、尺寸适用性、元素适用性、基体适用性和生产率等方面的比较估算，可以避免盲操作，易于操作、易于获得、结构稳定、易于储存、耐腐蚀、能够批量生产HEA-NPs；

2 HEA-NPs的热力学制备方法倾向于是具有更多滑移体系的面心立方相结构类型。如何突破制备其他相结构类型的HEA-NPs会直接影响其热力学稳定性，这需要更多的探索；

3 利用计算辅助工具构建催化剂结构，可以有效地预测实验前制备的HEA-NPs的良好性能；

4 在研究催化性能时，必须考虑活性位点的核心影响因素，可通过有效设置HEA-NPs的多个活性中心，实现了预测合金催化性能的目的；结合计算辅助工艺，可以对HEA-NPs的类型进行完全定制和优化；

5 HEA-NPs作为先进的氨氧化和氨分解催化剂、电催化剂和甲烷燃烧催化剂具有高而稳定的催化效率，在工业化方面具有明显的优势，缓解了全球资源短缺、节能和环保；

6 HEA-NPs的储能应用是一个非常有潜力的发展方向；

7 高熵合金在实际工业中未来的应用及发展方向。

文章链接

High-entropy alloys in catalyses and supercapacitors: Progress, prospects

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107958

通讯作者简介

王玉华教授简介：武汉科技大学理学院三级教授，博导。2004年在河南大学获物理学硕士学位，导师顾玉宗。2007年在武汉大学获物理学博士学位，导师蒋昌忠。2011年5月赴意大利国际理论中心物理学（ICTP）作访问学者。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Mansoor 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

王一彤简介：武汉科技大学理学院研究生，于2021年在河北师范大学获得物理学学士学位。同年师从王玉华教授，就读于武汉科技大学理学院，致力于纳米材料的生长成核机理和纳米材料的设计。

锂电联盟会长向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿，请联系：邮箱ibatteryalliance@163.com。

相关阅读：

锂离子电池制备材料/压力测试！

锂电池自放电测量方法：静态与动态测量法！

软包电池关键工艺问题！

一文搞懂锂离子电池K值！

工艺，研发，机理和专利！软包电池方向重磅汇总资料分享！

揭秘宁德时代CATL超级工厂！

搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看！

锂离子电池生产中各种问题汇编！