德国卡尔斯鲁厄理工学院EES综述文章：高熵能源材料：挑战与新机遇- 大数跨境

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德国卡尔斯鲁厄理工学院EES综述文章：高熵能源材料：挑战与新机遇

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2021-07-16

导读：本文为这种新型材料的应用提供一个全面的总结和概述。

文章信息

高熵能源材料：挑战与新机遇

第一作者：Yanjiao Ma

通讯作者：Yanjiao Ma*, Torsten Brezesinski*, Ben Breitung*

单位：Institute of Nanotechnology, Karlsruhe Institute of Technology (KIT) （德国卡尔斯鲁厄理工学院，纳米技术研究所）

文章简介

本文中，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院的Yanjiao Ma, Ben 以及BreitungTorsten Brezesinski博士，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“High-entropy energy materials: challenges and new opportunities”的综述文章。

高熵材料是一种新型无序多组分材料，在2004年被首次提出。由于熵驱动的效应以及成分的多样性，高熵材料在环境科学和可再生能源技术中表现出了独特的性质和发展潜质。这是一篇关于高熵能源材料的全面概述，总结了近年来高熵材料在能量存储与转换方向的研究成果，发展历史，分析了该类材料在能源领域的应用前景及面临的挑战。

新能源材料的基本需求引发了近年来科学和工业研究的巨大努力。最近，高熵材料，以其独特的结构特征、可定制的化学成分和相应可调的功能特性，在环境科学和可再生能源技术领域引起了广泛的兴趣。

在这里，我们为这种新型材料的应用提供一个全面的总结和概述。首先讨论关于高熵材料，包括合金、氧化物和其他熵稳定化合物及复合材料在各种能量存储和转换系统的应用。此外，我们从计算技术和实验方向提出了关于高熵材料有效的设计策略。在此基础上，分析了该类材料的特定，并总结了他们的潜在优势和面临的挑战。

本文要点

图1. 高熵材料在你能量存储与转换方向的应用

文章中介绍了高熵材料（HEMs），主要包括高熵合金（HEAs），高熵陶瓷（HECs）以及其他一些高熵化合物在氢能存储，二氧化碳转换，析氢，氧气催化，二次电池和超级电容器方面的研究（如图1）。

图2. 能源相关领域的高熵合金与高熵陶瓷的晶体结构。

在能源领域已经确定的高熵合金（HEAs）的晶体结构包括面心立方（fcc），体心立方（bcc），六角密堆积（hcp）及C14 hcp结构。最常见的高熵陶瓷（HECs）的结构是岩盐结构，主要有氧化物，氮化物及碳化物。其他结构还包括钙钛矿型，尖晶石型以及层状O3-型高熵材料 (如图2)。

总结发现，高熵材料作为材料界非常年轻的一员，已经展示出了在能源领域巨大的应用潜力。其中最主要的代表是HEAs和HEOs。最具有前景的功能特性包括电催化活性，气体吸收能力，电化学电荷存储等，都可以通过订制高熵的组件来实现系统的优化。与传统材料相比，高熵材料的潜在优势和主要挑战总结如下：

1. 高熵合金 vs. 传统合金

与传统合金相比，HEAs 的主要优势是由“鸡尾酒”效应引起的。受益于单个合并元素，HEA 系统可以是被视为“原子复合材料”，通常表现出前所未有的特性，也可以通过更改活动/非活动单元来订制特性。

除此之外， HEA 功能单元之间非常强的协同效应在贵金属和非贵金属活性中起决定性作用，例如用于析氢、氧领域的电催化剂，氧还原，甲醇氧化和二氧化碳还原领域等（见原文第 3-6 节）。

此外，相对于传统合金，形成 HEA时因为掺入的金属可能具有明显不同的原子大小，会产生严重的晶格畸变，这有利于创造更合适的（反应）位点，从而在储氢领域展现出潜力。

2. 高熵氧化物 vs. 传统氧化物

在能源领域，HEO 相对于传统氧化物的优势并不那么明显。大多数 HEO 被报道作为电极材料应用在电池领域，例如岩盐 (CoMgCuNiZn)O（参见原文第7 节）。虽然循环性能尚不能满足实际应用应用，但所提出的熵稳定转换机制是十分有前景的。

不同于传统的过渡金属氧化物，在电化学循环过程中，高熵材料可以在一定程度上保留原始岩盐结构并为转换过程提供宿主结构。(CoMgCuNiZn)O HEO 材料明显优于相应的中熵氧化物，它提供了熵驱动结构稳定性和改进的电化学性能之间的知识链接。

另一方面，在嵌入型层状 HEO 正极中，熵稳定有助于促进 O3 型结构的形成。

3. 挑战与展望

尽管与传统合金、氧化物和其他化合物相比，HEM 具有所有（潜在的）固有优势，他们在能源领域的应用中仍然存在一些明显的挑战。首先，即使结果表明 HEM 的特性可以通过组合设计来定制，主要的挑战是识别功能单元，并理解单个元素在特定方面的作用及其与“鸡尾酒”效应的关系。

总的来说，到目前为止进行的研究仍处于早期阶段，大多数的结构“裁剪”仍然是随机完成的。合理地设计 HEM 非常具有挑战性。一种可能性是文中讨论的计算方法（见第 9 节），特别是新开发的 ML 技术，使设计成为可能。从实验方面来看，更有效的方法是选择一个基准模型并逐渐添加或替换新元素来改变系统的构型熵。例如，Lix(CoMgCuNiZn)OFx和 (CoMgNiZnLi)O 是岩盐结构 (CoMgCuNiZn)O 材料的变体模型。

另一个通用策略是将组件根据他们在系统中的角色划分为子类别，然后在每个类别中使用其他类似元素添加或替换所选元素。除了广泛的开发了 HEA 和 HEC，探索了新类别的高熵材料也应受到高度鼓励。第二个挑战是应对高熵概念本身有更深入的理解。通过类比研究，删除一种或多种元素来探讨 HEM 和相应的中熵或低熵材料的特点与优势。这样的实验将提供对此的更多见解，特别是性能和反应之间的比较机制是不可或缺的。

尽管存在上述挑战，迄今为止取得的成就令人鼓舞，高熵材料在可再生能源领域的应用将存在新的机会。

文章链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/xx/d1ee00505g

通讯作者介绍

YanjiaoMa 博士。

目前在德国卡尔斯鲁厄理工学院-纳米技术研究所从事博士后研究工作，研究课题为开发新型高熵电池材料，合作导师Horst Hahn教授。在此之前，在德国亥姆霍兹国家研究中心联合会乌尔姆研究所-卡尔斯鲁厄理工学院攻读博士学位以及从事博士后研究工作，导师Stefano Passerini教授（国际著名期刊《Journal of Power Sources》主编）。在此期间主要从事先进储能材料的研究，在纳米材料制备、表征和电化学存储机理研究等方面开展了富有成效的工作。2008年9月至2012年6月，Yanjiao Ma就读于西北师范大学，于2012年获得学士学位，之后保送本校攻读硕士研究生，并于2015年获得硕士学位。在攻读硕士学位期间主要从事电催化方向的研究。目前在国际知名期刊以第一作者身份在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters等期刊上发表学术论文19篇。

Torsten Brezesinski 博士。

在马克斯普朗克胶体与界面研究所/波茨坦大学获得博士学位，导师是Antonietti 教授。在加州大学洛杉矶分校与 Tolbert 教授完成博士后工作后，于 2008 年加入 Justus-Liebig-University Giessen 生物与化学系任教，担任独立组长。自 2012 年起担任实验室经理 KIT/BASF SE 电池和电化学实验室 (BELLA) 的负责人和 INT (KIT) 的组长。他的研究重点是用于储能的下一代电池材料和聚合物模板介观结构金属氧化物薄膜。

Ben Breitung 博士。

目前正在 INT (KIT) 与 Hahn 教授一起开展他的项目研究，并担任组长。2013年获得KIT博士学位，2014年加入电池与电化学实验室（BELLA）。2017年起担任INT（KIT）印刷电子组和高熵材料组组长。他的工作重点是用于储能和电子应用的高熵材料以及多孔薄膜。