重庆大学潘复生、陈玉安团队IM综述：高熵合金在推进固态储氢技术中的关键作用

Z. Ding, Y. Li, H. Jiang, Y. Zhou, H. Wan, J. Qiu, F. Jiang, J. Tan, W. Du, Y. Chen, L. Shaw, F. Pan. The integral role of high-entropy alloys in advancing solid-state hydrogen storage. Interdiscip. Mater. 2025; 4(1). doi: 10.1002/idm2.12216

1. 高熵合金：固态储氢技术的革新者

高熵合金（HEAs）作为一类新兴多主元合金材料，正在revolutionize固态储氢技术领域。与传统合金不同，HEAs通常由五种或更多主要元素按近等原子比组成，利用高混合熵效应来稳定单相固溶体结构。这种独特的组成和结构赋予了HEAs优异的储氢性能，包括高储氢容量、优异的热稳定性和可调控的吸放氢动力学。本文系统综述了HEAs在固态储氢领域的最新研究进展，探讨了从基础理论到性能优化的关键里程碑。图1展示了HEAs在储氢领域的研究发展趋势，反映了这一领域日益增长的科研兴趣和潜力。

图1 高熵合金在氢储存领域的全球研发趋势：该信息图展示了高熵合金在氢储存领域的研究轨迹，描绘了从理论探索到性能优化的重要里程碑。图中包含了国际机构贡献的时间线，柱状图显示了多年来研究量的增长趋势，世界地图突出显示了各国的主要贡献者。

2.  元素组成对HEAs储氢性能的影响

本文深入分析了三类代表性储氢HEAs：Ti-V基、轻质（如Mg-Al基）和稀土基HEAs。每种类型都展现出独特的优势和面临的挑战。Ti-V基HEAs表现出卓越的储氢容量，但需要进一步优化其吸放氢动力学；轻质HEAs具有低密度和高理论储氢容量，但在可逆性和低温性能方面仍需改进；稀土基HEAs在室温下表现出色，但面临高成本和复杂制备工艺的挑战。通过比较不同类型HEAs的储氢特性，本文揭示了元素组成对HEAs储氢性能的关键影响。图2展示了不同类型HEAs储氢性能及其机理的比较，直观地反映了元素组成对储氢特性的影响。

图2 (a) TiZrNbTa合金在2 bar压力下的吸氢动力学曲线；(b) TiZrNbTa合金的吸氢机理示意图；(c) 高熵合金的吸氢和放氢过程，以及相应的氢化物形成（Peq：平衡平台压力）；(d) TiVZrNbFe合金的吸氢过程示意图；(e) (T_23.5V_27.5Zr_7.5Nb_32.5)_1-xFe_x（x = 0.03， 0.06， 0.09）合金的饱和储氢容量随温度变化曲线。

3.  HEAs结构特征与储氢机理

HEAs的结构特征，包括固溶体、金属间化合物和非晶态结构，对其储氢性能有着深远影响。本文详细阐述了这些结构特征如何影响氢气的吸附、扩散和脱附过程。特别是，晶格畸变和相稳定性在决定HEAs储氢性能方面起着关键作用。通过分析HEAs的典型相结构和相选择机制，本文为理解结构特征与储氢性能之间的内在联系提供了深入见解。图3展示了HEAs的典型相结构和相选择图，有助于理解结构特征与储氢性能之间的关系。

图3 高熵合金的相结构及相选择图：(a)固溶体相的侧视图和俯视图；(b) 金属间化合物相的侧视图和俯视图；(c) 非晶相的侧视图和俯视图；(d) 高熵合金相选择的δ-ΔHmix图。

4.  HEAs设计策略的创新与应用

为了设计高性能储氢HEAs，研究者开发了一系列先进的设计策略。本文重点介绍了三种方法：CALPHAD、第一性原理计算和机器学习。CALPHAD方法有助于预测HEAs的相稳定性和优化组成；第一性原理计算深入探究了氢原子与HEAs之间的相互作用机制；而机器学习技术则加速了材料筛选和性能预测过程。这些创新方法的协同应用为HEAs的合理设计提供了强大工具。图4和图5分别展示了CALPHAD方法在相预测中的应用和第一性原理计算在吸氢机理研究中的应用实例。

图4 高熵合金的相图、经验参数和表征结果：(A) TiZrHfAlNb_0.2合金的相图；(B) Ti-Zr-Hf-Al-Nb系统的经验参数；(C) Ti₃Al-Zr₃Al-Hf₃Al-Nb系统的预测基态；(D) TiZrCrMnFeNi合金的相图；(E) TiZrCrMnFeNi合金的X射线衍射(XRD)图谱；(F) Ti₂₀Zr₂₀Nb₅Fe₄₀Ni₁₅的合金相图; (G) Ti₂₀Zr₂₀Nb₅Fe₄₀Ni₁₅合金的X射线衍射(XRD)图谱；(H) Ti₂₀Zr₂₀Nb₅Fe₄₀Ni₁₅合金的扫描电镜(SEM)图像和能谱(EDS)元素分布图。

图5 高熵合金的氢吸收过程、相变和电子结构：(a) TiZrHfMoNb合金的氢吸收过程；(b) NbTiVZr合金在氢吸收过程中的相变；(c) TiZrVMoNb氢化物的氢脱附构型；(d) TiZrVMoNb和TiZrHfMoNb合金的电子分布。

5.  HEAs合成技术的进展与挑战

HEAs的合成技术对其最终性能有着重要影响。本文系统评述了几种主要的HEAs合成方法，包括熔炼法、机械合金化和电化学沉积等。每种方法都有其独特的优势和局限性，适用于不同类型HEAs的制备。文章深入分析了这些合成技术如何影响HEAs的微观结构和储氢性能，并探讨了未来可能的技术突破方向。

6. 总结与展望：HEAs在固态储氢领域的未来

本文综合评述了HEAs在固态储氢领域的研究现状、挑战和前景。未来的研究方向包括：(1) 深化对HEAs储氢机理的多尺度理解，从原子尺度到宏观性能；(2) 开发新型原位表征技术，实时监测HEAs的储氢过程；(3) 探索HEAs与其他先进材料的复合体系，实现协同增效；(4) 建立HEAs储氢性能的预测模型，实现高通量筛选；(5) 推进HEAs在实际储氢系统中的应用研究，解决工程化问题。通过多学科协作和创新方法的应用，HEAs有望成为推动清洁能源技术发展的关键材料，为解决全球能源挑战做出重大贡献。

潘复生

中国工程院院士、重庆大学教授。现兼任中国工程科技发展重庆研究院院长、Journal of Magnesium and Alloys 国际期刊主编、国际标准化组织（ISO）镁及镁合金技术委员会主席、国际镁学会主席、中国材料研究学会副理事长等。主要从事轻合金（镁合金、铝合金）材料、金属储能材料、金属生物材料、金属复合材料、工具钢等方面的研究。获得国家技术发明奖和科技进步奖4项，部省级技术发明奖和科技进步奖10余项。发表SCI论文700多篇，授权发明专利160多项，制订国家标准和行业标准10余项，开发的16个新型镁合金获批为国家合金牌号，9个合金成为国际标准合金牌号。被评为“全国优秀科技工作者”，何梁何利奖和（美国）杜邦科技创新奖获得者。

陈玉安

重庆大学教授，国家镁合金工程技术研究中心副主任。先后主持科技部国际科技合作项目、中国原子能科学研究院合作项目、军工类项目等。主要研究方向为新型镁基储氢材料的设计与制备、镁合金中第二相的可控调控，以及金属材料微观结构与性能之间关系的系统研究。

周    阳

武汉纺织大学教授，研究领域涵盖能源纳米材料、界面物理化学以及有机/无机杂化环境功能材料。研究重点包括表面功能化与自组装技术、微/纳米材料的结构-性能关系、界面物理化学现象以及先进能源存储系统的开发。先后主持和参与国家自然科学基金、云南省自然科学基金、中国博士后科学基金，湖北省科技厅产学研等项目17项。获授权发明专利13项，在Angew. Chem. -Int. Edit.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Interfaces 等国际学术期刊上发表论文90多篇。

丁    朝

重庆大学副教授，2019年获得伊利诺伊理工大学机械材料与航空工程系材料科学与工程博士学位。主要研究方向为镁基固态储氢材料的开发与应用。