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研 究 背 景
当今时代，化石燃料严重消耗，探索绿色、可再生的清洁能源势在必行。电催化在与清洁能源相关的生产、储存和回收等关键过程中起到关键作用。各类电催化反应如液体燃料氧化反应（FOR）、氧还原反应（ORR）、析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）等被认为是颇具前途的产生可持续能源的途径。因此，为各种电催化反应设计和开发低成本、高活性、高选择性和稳定性的电催化剂至关重要。
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内 容 简 介
华中科技大学王得丽课题组等人系统总结了高熵金属间化合物（High-entropy intermetallics，HEIs）电催化剂的研究进展及其在能量转化反应中的应用。首先提出了HEI电催化剂的热力学形成机理和HEI的设计原则。然后介绍了HEI电催化剂的各种合成策略。重点介绍了液体燃料氧化反应（FOR）、氧还原反应（ORR）、析氢反应（HER）等重要电催化反应中具有代表性的催化实例。最后，提出了HEI电催化剂研究的现状和未来展望。
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图 文 导 读
晶体结构
2016年，Tsai团队提出了新型高熵金属间化合物（High-entropy intermetallics，HEIs）的概念。基于晶体结构中亚晶格的出现，HEIs显示出长程的化学有序度，这与普通的固溶体HEAs有很大不同（图1a）。从这一点来看，它们应该被看作是有序金属间化合物（Intermetallics）的一类（图1b）。然而，HEIs亚晶格中不同原子占用的位置是随机的，这与传统的金属间化合物不同，而类似于固溶体HEAs中的原子排列（图1c：C原子随机替换A位点，D/E原子随机替换B位点）。因此，尽管存在长程有序，HEIs并没有对每个组成元素表现出严格的化学计量，而是对某些原子的总和（例如，A+C和B+C+D）具有化学计量，并且它们的构象混合熵可能比具有固定化学计量的传统金属间化合物高得多。
图1 （a−c）高熵合金、二元金属间化合物和高熵金属间化合物的晶体结构模拟图（包括fcc、bcc和hcp结构）
热力学形成机理
HEIs被定义为含有五种或五种以上元素的多金属合金，其特定的晶体结构源自于母体的二元金属间化合物。与二元金属间化合物相比，HEIs亚晶格中原子的随机排布导致了更高的混合熵。从热力学上讲，HEIs本质上是焓和熵共同稳定的合金。基于吉布斯自由能的变化可以理解HEIs的热力学形成机理
设计原则
合理设计HEIs电催化剂具有重要意义。HEIs的设计应满足两个关键点：首先，母体晶体结构的焓（△H）应足够负，以促进有序相变；其次，替代性原子（C，D，E原子）应具有与母体合金原子（A，B原子）相似的性质（原子半径、电负性等），以确保不同亚晶格中最大程度的原子键合。
未来展望
自2020年首次报道HEIs电催化剂以来，已经合成了一系列用于各种催化反应的HEIs。然而基于HEIs电催化剂的合成方法、机理研究、表征方法和催化反应方面仍有很大的探索空间（图3）。总的来说，深入了解HEIs是其在各催化领域广泛应用的必要条件。
图2 HEIs未来发展示意图
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作 者 简 介
本文通讯作者：华中科技大学教授，王得丽
主要研究领域：燃料电池电极催化剂以及锂电池电极材料的设计以及性能优化方面的研究
个人简介：华中科技大学化学与化工学院教授，博导。2013年初入职华中科技大学，任化学与化工学院教授。2008年7月博士毕业于武汉大学，博士毕业后先后在新加坡南洋理工大学燃料电池研究中心和在美国康奈尔大学能源材料研究中心做博士后研究工作。在国内外知名学术期刊上发表论文100余篇，主要包括Nat. Mater.，Nat. commun.，JACS，Angew.等化学、材料、电化学领域国际知名期刊。获授权中国发明专利11项，美国授权发明专利2项。担任J. Chem. Phys.副主编，《电化学》、《储能科学与技术》、Chin. Chem. Lett.、Nano Mater. Sci.、Energy & Fules、J Phys Energy编委。课题组隶属于华中科技大学能量转换与存储材料化学教育部重点实验室。Email：wangdl81125@hust.edu.cn
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