注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
随着碳达峰、碳中和目标的推进，能够同时实现碳循环与能量存储的锂-二氧化碳（Li-CO2）电池成为了研究焦点。然而，电极材料在长期的氧化还原循环中，由于频繁的结构演变，往往会产生“材料疲劳”，导致局部结构塌陷和活性位点失活，这严重制约了电池的循环寿命 。如何让活性位点在剧烈的反应中保持“长寿”？这一难题成为了领域内的关键挑战。
近日，中国科学技术大学周敏教授团队和陈双明教授团队提出了一种全新的“拓扑无序工程”策略。他们构筑了一类具有本征自适应特性的高熵非晶氧化物（HEAOs）作为模型系统，通过这种长程拓扑自适应性来重新定义抗疲劳电化学材料的设计原则。
在传统的晶体材料中，活性位点受限于特定的晶格环境，循环中的原子位移一旦超过稳定极限，就会引发不可逆的结构破坏 。而该研究团队另辟蹊径，利用非晶态材料的长程拓扑失序特性，结合高熵工程带来的高构型熵，赋予了材料极高的结构自由度。这种结构就像一个“柔性网络”，能够缓冲并适应反应过程中活性位点周围的局部结构扭曲。
图1. 高熵非晶结构优点示意图。上半部分展示了金属氧化物、无定形金属氧化物和高熵无定形金属氧化的结构示意图，而下半部分则展示了它们相应的电子结构和子图。
研究发现，这种含有铬（Cr）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）等多种金属元素的高熵非晶氧化物，展现出了卓越的抗疲劳性能。在Li-CO2电池测试中，该材料在长循环后仍能保持3.14 V的超高放电电压，且在不同电流密度下能量效率均维持接近90%。
深入的机理研究揭示，HEAOs的优异表现源于其动态可重构的金属-氧配位网络。在复杂的CO2还原/释放反应中，灵活的M-O-M连接和多组元集成协同诱发了电子转移与轨道耦合，触发了局域电荷的重新分布，从而实现了“自适应补偿”机制。简单来说，当活性中心Cr在反应中价态升高时，周围的金属-氧键会通过自发的收缩或拉伸来抵消这种应变累积，维持了材料长程结构的完整性。
图2. Li+和CO2交替反应中HEAO的自适应补偿和结构演化特征
这一研究不仅验证了复杂电化学体系中的自适应补偿效应，也为从长程视角设计抗疲劳材料开辟了新途径 。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，论文的第一作者是中国科学技术大学的博士研究生刘雨淳。
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Building Topological-Disordered High-Entropy Amorphous Oxides for Adaptive Compensation During Alternating CO2 Redox Cycling
Yuchun Liu, Tianqi Liu, Zhixin Sun, Jing Zhang, Xingwu Zhai, Tianchen Wei, Xinyun Wang, Leyi Su, Shuangming Chen, Min Zhou, Yi Xie
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202523507
研究团队简介
周敏教授简介：中国科学技术大学特任教授，博士生导师，国家创新人才引进计划青年项目入选者，长期从事非晶态材料的合成与应用研究，实现多类新材料创制，在离子、电子、声子等输运方面取得创新进展。在Nat. Commun. , J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际期刊上发表论文100余篇，总被引13000余次，H因子45。目前担任J. Semi.，Smart Mater.等杂志编委/青年编委，主持国家重点研发计划课题，国家自然科学基金等多项项目。
https://www.x-mol.com/university/faculty/420681
陈双明教授简介：中国科学技术大学国家同步辐射实验室特任教授，2023年国家自然科学基金青B项目获得者，中国科学院青年创新促进会会员，合肥先进光源（HALF）“原位工况软X射线谱学与散射线站”系统负责人，开展同步辐射芯能级谱学线站建设、技术开发及应用研究工作。近五年来，以第一/共一或通讯作者在 PNAS、Nature Communications、Advanced Materials 等国际知名期刊上发表论文 40 余篇，入选科睿唯安全球高被引科学家，担任《物理化学学报》青年编委。
https://www.x-mol.com/university/faculty/73920
科研思路分析
Q：这项研究最初的目的是什么？
A：我们的核心兴趣在于解决二次电池中的“材料疲劳”问题。在Li-CO2这类多电子、复杂反应体系中，电极材料极易因结构塌陷而失效。我们希望利用非晶材料的高结构自由度和高熵材料的多功能单元集成的特性，创造一种能够自发调节应变、抵抗疲劳的新型催化剂。
Q：研究过程中遇到了哪些挑战？
A：最大的挑战在于如何精准理解这种长程失序结构中的“自适应”过程。由于非晶结构没有长程有序性，传统的表征手段很难捕捉到这种细微的动态变化。我们结合了先进的同步辐射X射线吸收谱，才最终确定了材料通过长程拓扑结构变化补偿局域电荷再分布的物理图像。
Q：该研究成果有哪些重要应用？
A：该成果直接推动了Li-CO2电池向长寿命、高电压方向的发展。此外，这种“拓扑无序工程”的设计原则也可以推广到其他涉及剧烈结构演变的电化学领域，如锂硫电池、钠离子电池以及大规模水分解制氢等，为开发高稳定性的能源材料提供了新思路。
