文章导读
本文综述了HEOs作为能源材料的最新研究进展，特别是在太阳能电池、电催化、光催化、锂离子电池和固体氧化物燃料电池等领域的应用。文章强调了理论计算和模拟在理解HEOs性能、指导新材料设计以及优化现有材料性能方面的重要性。同时，指出了HEOs在实际应用中面临的困难和挑战，并提出了未来研究的方向，包括开发新的合成策略、改进材料的微观结构和性能，以及加强跨学科合作，以推动HEOs在新能源技术中的广泛应用。
关键词：高熵氧化物、新能源材料、理论计算、材料设计
CITATION: Zhong Yang, Xianglin Xiang, Jian Yang, Zong-Yan Zhao. High-Entropy Oxides as Energy Materials: From Complexity to Rational Design[J]. Materials Futures, doi: 10.1088/2752-5724/ad8463
研究背景
随着全球能源结构的转型和对清洁能源需求的不断增长，高效、稳定且环境友好的能源材料成为热点。高熵氧化物（HEOs）作为新型多主元氧化物，因其独特的多样性和丰富性，在能源材料领域展现出巨大的开发潜力。除了继承高熵合金的核心效应外，HEOs还具有灵活可调的电子结构和物理化学性质，这在新能源转换和存储领域尤为关键。然而，HEOs的多样性和复杂性不仅造成了制备、表征和机理探索等方面的困难，而且还在成分筛选、结构设计、性能优化等方面面临着巨大的挑战。因此，为了开发多功能、高性能、低成本的HEOs，迫切需要利用第一性原理计算、分子动力学模拟、高通量计算和筛选、人工智能等先进材料设计方法进行合理开发和逆向设计，这也是当前的研究重点。
本文要点
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HEOs不止于高熵主导
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高熵氧化物继承高熵合金的高熵特征和核心效应，于2015年提出并得到快速发展。在定义上，HEOs是构型熵大于1.5R的高熵材料，其高熵已经足以体现体系的混乱度，但是其本身在复杂度上仍具备多样特点。
01
HEOs的微观结构
HEOs在结构上仍然表现出多金属主元成分的长程无序性，但同时还具有氧原子成分的固定子晶格，因此呈现出化学短程有序性。这一特征不仅增加了构型熵的值，提高了HEOs的结构稳定性，而且更多的成分种类和灵活排列能产生更多、更很杂的协同作用，使得其性能改变不再是简单的氧化物组合。
图1. 高熵氧化物不仅具有成分组合的灵活性，同时还呈现出晶体结构的多样性。
02
HEOs的合成工艺和微结构表征
HEOs的合成路线对实现其独特性质以及效应是至关重要的。高复杂度背后是对基本标准的严格遵循。首先，制造方法必须确保五个或更多阳离子在单个相内均匀地集成，以保持材料的单相结构；此外，为防止元素聚集和相分离，保持HEOs的高熵特性至关重要。此外，该工艺应严格控制产品的微观结构，包括晶粒尺寸、相纯度、缺陷密度等。该技术还必须具有可扩展性，以满足工业生产需求。
图2. 利用镍箔的焦耳加热法制备盐岩型、钙钛矿型、尖晶石型高熵氧化物。
03
HEOs的多功能应用
独特的化学成分，新颖的结构赋予了HEOs各种性能优势，增强了物理性能并引入了新现象。HEOs 的范围很广，元素组成多样，不同结构的 HEOs 表现出独特的性能特征。这种多功能性使 HEOs 高度适用于各种新能源技术，包括催化、能量转换、储能和传感。HEOs 作为能源材料的潜力不仅在于其基本的物理化学性质，还在于先进的材料设计和工程所促进的性能增强。
图3. 高熵氧化物成分和结构的多样性使其在新能源领域的不同分枝都表现出优异的性能。
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理性设计在高效开发HEOs中大有可为
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多主元成分、结构多样性、多功能的新能源应用等复杂性是HEOs独树一帜的优势所在，但是也造成了HEOs在材料合成、表征和机理探索等方面面临的巨大困难和挑战。传统的实验方法难以应对这些挑战、满足对HEOs性能优化的需求，基于理论计算的材料理性设计提供了对HEOs电子和原子级行为的深刻理解，能够预测材料性能并指导实验合成，从而提高研究效率、并降低研发成本。
01
构效关系探索
理论计算与模拟在HEOs的稳定性和构效关系探索中发挥着不可或缺的作用，它们不仅帮助科研人员深入理解材料的内在机制，还指导实验设计，加速新材料的发现和优化。未来的研究应进一步发展计算方法，以适应HEOs的复杂性，并与实验研究相结合，推动新能源材料科学的发展。
图4. 利用理论计算探索尖晶石型高熵氧化物材料体系的构效关系。
02
性能预测和优化
实验研究通过调控合成工艺参数来改变HEOs的组成、结构和形貌，从而实验性能优化的目的，在此过程中不仅需要理论计算与模拟深入理解材料在不同情形下的内在物理机制，还需要理论计算与模拟预测特定工况环境应用下的功能表现。
图5. 利用理论计算探索Zn2+离子对迁移路径，预测高熵构型对离子迁移率的影响。
03
多尺度模拟与仿真
跨尺度理论计算与模拟能够连接从微观、纳观、介观到宏观的各个层面，有助于全面理解HEOs的合成和服役行为，实现不同尺度信息的无缝耦合，为捕捉HEOs的层次性和揭示其多尺度特性提供新的视角。
图6. 通过分子动力学模拟多金属氧酸盐（POMs）诱导HEO中亚纳米线的形成。
04
高通量计算与筛选
面对HEOs复杂的成分空间和严格的性能要求，传统的实验筛选方法显得力不从心。高通量计算与筛选能够快速评估大量成分组合，极大加速新型HEOs的发现和优化进程。
图7. 高通量计算对钙钛矿型高熵氧化物的带隙进行计算以及筛选。
05
人工智能和逆向设计
人工智能和逆向设计方法为HEOs的理性设计提供了强有力工具，实现从预期性能出发反推潜在的材料组成和结构，指导研究者针对特定应用目的设计高性能HEOs。人工智能的广泛应用不仅促进了HEOs的理性设计，也为其高效开发带来了新的研究范式，预示着HEOs的研究和应用将进入更加高效和创新的时代。
图8. 生成学习方法加速应用于电介质的高熵氧化物设计。
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总结与未来展望
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开发高熵氧化物能源材料需要深刻体会其主元组合空间的广阔性、晶体结构的多样性、灵活多变的基本物化性质、丰富的特殊效应和新能源应用的根源在于其复杂性，因此必须密切结合理论计算与模拟的发展，在理性设计的指导下实现以下方向的突破：
高效合成方法的开发
探索更为高效、低成本的高熵氧化物合成方法，如熔盐法和闪烧技术，以降低生产成本并提高产物纯度。
原位表征技术的进步
发展先进的表征技术，如三维原子探针断层扫描和四维电子能量损失光谱，以实现对高熵氧化物微观化学结构的超高时空分辨率分析。
新型能源材料的设计
开发具有可控形态和超高比表面积的高熵氧化物，以暴露更多的活性位点，并通过后处理策略提高其物化性质和催化性能。
特殊效应的深入理解
通过先进的表征技术和理论计算，深入探究高熵氧化物的结构-性能关系、特殊物理效应，为材料设计提供理论基础。
理论计算体系的完善
利用机器学习工具对宏量样本数据进行统计，以预测高活性新型结构催化剂，进一步实现对高熵氧化物催化剂的筛选和识别。
多学科交叉合作的加强
加强材料科学、化学、物理学等多学科之间的交叉合作，积极拓展高熵氧化物在新能源领域的应用研究。
作者简介
杨众，昆明理工大学材料科学与工程学院硕士研究生，研究兴趣专注于材料设计与模拟领域，致力于探索新型高性能光(电)催化材料，以及高熵材料的创新设计和开发。
赵宗彦，博士，教授。2011年获得南京大学物理系博士学位，2011年至今在昆明理工大学材料科学与工程学院从事教学和科研工作。研究兴趣包括计算物理、材料设计与模拟、半导体材料及其表界面、光(电)催化技术等领域。以第一作者或通讯作者在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie-international Edition, Chemical Engineering Journal, Acta Materialia等期刊上发表SCI论文180余篇论文，拥有4项发明专利，出版学术专著1部；论文总被引次数超过6500次，h-index为40。
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期刊特色｜Unique Features
01
免费开放获取，2022-2024年免除作者出版费
02
快速发表，文章被接收后24h内上线
03
“未来展望”，展示该研究领域前瞻性专家观点
04
自由格式撰写，排版工作由IOPP承担
期 刊 简 介
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Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录。获得首个影响因子12.0，在全球材料综合类438本期刊中排名第41，位列Q1区。本期刊面向全球开放获取，免收作者版面费 (APC)。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。
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