近日，材料与能源学院（西南联合研究生院、云南省先进能源材料国际联合研究中心）郭洪教授团队在知名国际期刊《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）发表研究论文“High-entropy engineering with regulated defect structure and electron interaction tuning active sites for trifunctional electrocatalysis”（论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313239121），详细说明如何通过高熵工程调控缺陷结构以及电子相互作用、调节活性位点来促进三功能电催化反应，为高效能锌空气电池的实现提供了新的机制。邹肖肖博士为论文第一作者，郭洪教授、何天威副教授为共同通讯作者。

随着可再生能源的广泛采用，电催化转换被公认为一种最具潜力的能量转换和绿色化学合成技术。其中，优化催化剂结构及解码催化剂结构与其催化效能之间的关联是该领域面临的一项重大挑战。高熵合金纳米颗粒（HEANs）由于其独特的多元素组合、均质固溶体结构以及较大的比表面积等特性，已引起研究者的广泛关注。这些颗粒在结构中融合了不同的原子尺寸、化学性质和晶体结构，导致晶格畸变和优化的电子结构，从而改善催化性能。尽管还存在制备过程中各种潜在成分的复杂性，且对活性位点与性能来源尚需深入理解，严重限制了 HEANs 的发展，但是，HEANs在三功能电催化应用中的潜力仍然显著。

借助于超快合成技术的进步，特别是利用焦耳加热引发的瞬时高温，能够高效地合成无相分离的高熵材料。这种内部加热法比传统方法更具能量效率和速度，生成的产品具有更高的均匀性。在此研究中，利用这种非平衡碳热冲激方法合成的HEANs，在负载到多壁碳纳米管（HEAN/CNT）上时，展现了在三功能电催化反应中的出色表现。该研究进一步揭示了缺陷结构和电子相互作用在适应性调节三功能电催化活性位点中的作用，从而为理论和实际应用提供了重要见解。理论计算虽已预测了HEANs的多功能性，但此前少有高熵的多功能催化工作被报道。

本研究采用焦耳加热法合成高熵合金纳米颗粒（HENAs），并将其负载于多壁碳纳米管（CNTs），形成HEAN/CNT复合材料，系统探讨了HENAs在电催化反应中充当三功能催化剂（三功能电催化反应）的作用机理。通过详细的表征，团队揭示了HEAN/CNT中由于高熵效应引入的缺陷结构对电子结构的影响，以及这些结构如何调节电子相互作用并确定电催化活性位点。研究发现，高熵效应引起的缺陷能够改变电子配置，这一改变有助于提高反应物在催化剂表面的吸附率和扩散速度，从而促进电子的快速传递。

此外，HEAN/CNT显示了出色的多功能电催化性能，包括氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）和析氢反应（HER），并在锌空气电池和水电解应用中展现了优异的稳定性。借助原位拉曼光谱和原位傅立叶变换红外光谱（FTIR），团队进一步验证了在不同电催化反应中催化机理的细节。理论计算结果补充了实验观察，证实了HEANs中电子相互作用和催化活性中心能够适应性地调节，从而支持了这些观察的基础机制。这些发现为深入理解高熵合金在电催化应用中的行为提供了重要的理论和实验依据。

图1 三功能电催化中 HEAN/CNT 的缺陷结构和电子相互作用的示意图

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、云南省新能源重大科技专项、“双一流”建设基金、云南大学研究生科研创新项目的支持。

供稿：材料与能源学院

编辑：李哲 责任编辑：王崴 终审：宁莉