随着全球能源危机与环境污染问题日益严峻，开发清洁、可再生的氢能成为当务之急。电化学水分解技术是绿色制氢的关键路径，但其核心瓶颈在于高效催化剂的开发。近日，上海大学与悉尼大学等国际团队在《能源前沿》期刊发表综述文章，系统阐述了**高熵材料（HEMs）**在电催化水分解中的突破性进展。这种由五种以上金属元素组成的新型材料，凭借其独特的“四大效应”，展现出媲美贵金属催化剂的性能，同时兼具成本低、稳定性高的优势，为大规模绿氢生产提供了全新解决方案。

传统催化剂的困境与高熵材料的崛起

传统电催化剂依赖铂（Pt）、铱（Ir）等贵金属，但高昂的成本和稀缺性严重制约其工业化应用。例如，铂基催化剂虽在氢析出反应（HER）中性能卓越，但全球铂储量仅约7万吨，难以支撑未来氢经济的需求。相比之下，高熵材料通过将五种以上金属原子以等比例均匀混合，形成单一固溶体结构，不仅突破单一金属的活性限制，还能通过元素协同效应显著提升催化效率。论文指出，高熵材料的四大核心特性——高熵效应、晶格畸变效应、缓慢扩散效应和鸡尾酒效应，是其性能飞跃的关键。

高熵效应通过多元素混合提高材料热力学稳定性，抑制成分偏析；晶格畸变由不同原子尺寸差异引发，产生大量表面缺陷和不饱和配位点，为反应中间体提供丰富吸附位点；缓慢扩散效应降低原子迁移率，延长催化剂寿命；鸡尾酒效应则通过多元素协同优化电子结构，加速反应动力学。例如，研究团队合成的PtBiPbNiCo高熵合金纳米片，因晶格畸变与元素协同作用，在HER中过电位低至13 mV（10 mA/cm²），远超商用铂碳催化剂。

从实验室到工业：高熵材料的制备与应用突破

高熵材料的合成策略分为“自上而下”和“自下而上”两类。自上而下法如机械合金化、脱合金法，通过物理破碎或化学刻蚀调控材料形貌；自下而上法如碳热冲击、溶剂热合成，则通过原子级自组装精准控制纳米结构。例如，利用碳热冲击法可在毫秒级时间内合成均匀分散的FeNiCoCrMnV高熵合金，其过电位在1000次循环后仅下降8 mV，展现出卓越的稳定性。

在电解水应用中，高熵材料可同时作为双功能催化剂，驱动HER和OER反应。以CoNiCuMnAl@C核壳结构为例，其OER过电位低至215 mV（10 mA/cm²），Tafel斜率仅35.6 mV/dec，性能优于商用氧化钌（RuO₂）。此外，高熵氧化物（HEO）如La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.2Mn0.2Ni0.2Mg0.2O3，通过表面重构形成氧空位，显著提升氧析出活性。团队通过原位表征发现，高熵材料在反应中会自发形成活性更高的尖晶石结构，进一步降低能垒。

挑战与未来：从材料设计到工业化落地

尽管高熵材料前景广阔，但其研究仍处于早期阶段。活性位点机制不明确、合成工艺复杂、规模化制备困难是当前三大挑战。例如，多元素随机分布导致微观活性位点难以精准解析；部分合成方法依赖高温高压或特殊设备，难以满足工业化需求。

对此，研究者提出三大方向：

1. 理论计算与实验结合：通过密度泛函理论（DFT）模拟元素协同机制，指导材料设计；
2. 绿色合成技术开发：探索低温、低能耗制备工艺，如激光动力学合成；
3. 高通量筛选与数据库构建：利用人工智能加速材料成分-性能关系建模，缩短研发周期。

推动氢能革命，高熵材料引领未来

高熵材料的出现，为破解电解水催化剂成本与性能的“不可能三角”提供了新思路。其多元素、多活性位点的特性，不仅适用于绿氢制备，还可拓展至燃料电池、二氧化碳还原等领域。随着合成技术与机理研究的突破，高熵材料有望成为下一代能源催化剂的核心，加速全球向零碳社会的转型。正如论文通讯作者李文先教授所言：“高熵材料的设计灵感源于自然界的多样性，而它的应用将重塑人类能源的未来。”

这项研究得到中国国家自然科学基金等项目的支持，相关成果已进入中试阶段，预计未来五年内推动电解水制氢成本下降30%以上。绿色氢能的时代，正因高熵材料的创新而加速到来。

来源: FIE能源前沿期刊