摘要：高熵合金催化剂在氢电转化领域崭露头角。本研究聚焦其前沿动态，详述从理论设计到实验制备及性能测试全流程。梳理多元组分配比、微观结构调控手段，揭示活性提升机制，展望未来应用前景，为推动高效清洁能源转化提供关键支撑。

一、引言


  1. 清洁能源需求驱动
    随着全球工业化进程加速与环境问题凸显，寻求可持续清洁能源迫在眉睫。氢能因其高能量密度、零排放特质成为理想候选，而氢电转化技术（涵盖电解水制氢与燃料电池发电）是氢能利用关键环节，高效催化剂是突破能效瓶颈的要素。

  2. 传统催化剂局限
    铂基催化剂虽具高活性，但储量稀缺、成本高昂，极大限制大规模应用；非贵金属催化剂常面临活性低、稳定性差困境，难以满足工业严苛条件，催生出对新型催化剂材料的急切探索。

  3. 高熵合金登场契机
    高熵合金独特的多元成分、混乱原子排列结构蕴含丰富活性位点，理论上可兼得高活性与稳定性，打破传统催化剂性能权衡限制，近年成为材料与能源领域焦点，为氢电转化开辟崭新路径，其研究动态值得深度剖析。

二、高熵合金催化剂基础理论剖析


  1. 定义与特性
    高熵合金定义为含五种及以上主元，各元素原子分数介于 5% - 35% 的金属合金。多元混合致使晶格严重畸变，产生高强度应变场，利于反应物吸附与中间产物转化；同时高熵效应稳定固溶体结构，抑制相分离，赋予材料优异热稳定性，奠定催化潜能基础。

  2. 氢电转化催化原理适配
    在电解水析氢反应（HER）中，高熵合金表面畸变晶格可适度吸附氢原子，调节氢吸附能接近理想值，降低反应活化能垒；燃料电池阳极氢氧化反应（HOR）及阴极氧还原反应（ORR）里，多元活性位点协同作用，加速电子传递与物质转化，提升反应动力学速率，相较单金属催化剂优势显著。

三、实验探究关键环节


  1. 材料设计与制备
    （1）组分配比筛选
    采用高通量实验结合性原理计算，初筛元素组合。从过渡金属族选取 Co、Ni、Fe 等亲氢元素确保活性，搭配 Cr、Mn 调节电子结构，按不同比例设计系列合金配方，如 CoNiFeCrMn 体系以等原子比为基准，逐步微调个别元素占比（±5% 范围）探索性能变化规律。
    （2）制备方法抉择
    选用电弧熔炼 - 吸铸法制备高熵合金块体，精准控制熔炼功率、冷却速率以获均匀成分与致密组织；为得纳米结构粉末用于电极构建，采用机械合金化法，球磨参数（球料比 10:1、转速 300 - 500 rpm、时长 10 - 30 h）精细调控粒径与相结构，后经退火处理消除应力、优化晶界特性。

  2. 电极构建工艺
    （1）墨水配方调配
    将制备的高熵合金粉末与碳黑、粘结剂（如 Nafion）按特定质量比（8:1:1）分散于溶剂（乙醇 - 水混合液），超声振荡 1 - 2 h 确保均匀分散，制成丝网印刷或滴涂用墨水，粘度过高易堵塞喷头，过低影响电极附着力，需精准把控。
    （2）电极成型
    以玻碳电极、碳纸为基底，采用丝网印刷技术均匀涂覆墨水，控制膜厚约 10 - 20 μm，烘干温度 60 - 80 °C；或滴涂法逐滴铺展，自然晾干后再低温退火（200 - 300 °C）固化粘结剂，保障电极机械强度与电导率，为催化测试提供优质界面。

四、性能测试体系详述


  1. 电化学工作站测试
    （1）线性扫描伏安法（LSV）
    在三电极体系（工作电极：高熵合金修饰电极；参比电极：饱和甘汞电极；对电极：铂片电极）电解液（0.5 M H?SO? 或 1 M KOH 模拟酸性、碱性 HER/OER 环境）中，以 2 mV/s 扫描速率记录电位 - 电流曲线，起始电位、塔菲尔斜率精准解析析氢、析氧活性，对比不同样品催化动力学差异。
    （2）循环伏安法（CV）
    多圈 CV 扫描（电位窗口依反应设定，HER 为 - 0.2 - 0.2 V vs RHE，扫速 50 mV/s）监测电流响应稳定性，观察峰位、峰面积变化判断电极活性衰退及表面重构情况，辅以电化学阻抗谱（EIS）拟合电荷转移电阻，量化界面反应阻力演变。

  2. 原位表征技术辅助
    （1）原位 X 射线吸收光谱（XAS）
    同步辐射光源下，反应过程实时监测高熵合金金属原子配位环境、价态波动，从原子尺度解析催化活性中心结构动态变化，如 Co 元素 K 边 XAS 捕捉 HER 时 Co - H 键形成与断裂瞬间特征，揭示氢吸附机理关键步骤。
    （2）电化学石英晶体微天平（EQCM）
    依据 Sauerbrey 方程，通过频率变化实时监测电极表面质量增减，量化反应过程吸附 / 脱附物种量，像 ORR 中追踪 O?、OH?等吸附质动态覆盖度，与电化学信号关联，深度阐释反应路径与速率决定步骤。

五、研究成果亮点展示


  1. 活性提升突破
    某新型 CoNiFeCrMn - X（X 为微量掺杂元素）高熵合金 HER 过电位较商用 Pt/C 催化剂在碱性介质中降低 30 mV（电流密度 10 mA/cm2 时），归功于优化原子配比诱发更多边缘活性位点与适度晶格应变协同增效，实现非贵金属超越贵金属活性里程碑。

  2. 稳定性延长佳绩
    经 1000 h 持续电解水测试，特定退火态高熵合金电极结构完整，活性维持 90% 以上初始值，得益于高温退火修复晶界缺陷、强化元素扩散均匀性，抵御长时间反应电解质腐蚀与应力冲击，远超多数传统非贵金属催化剂寿命。

六、面临挑战剖析


  1. 成分 - 结构 - 性能关联模糊
    虽知元素组合影响活性，但多元素复杂交互下结构 - 性能定量模型匮乏，难以精准预测性能、定向设计合金，不同研究间成分微调效果差异大，阻碍高效研发进程。

  2. 大规模制备困境
    实验室小批量制备工艺难直接放大，如机械合金化批量生产面临设备磨损、混合不均难题，电弧熔炼能耗高、铸锭尺寸受限，制约迈向工业量产应用步伐。

七、未来展望与策略前瞻


  1. 多尺度理论计算深化
    融合量子力学、分子动力学与相图计算，构建全尺度成分 - 结构 - 性能图谱，模拟复杂工况下高熵合金催化演变，指导精准实验合成，实现 “理论设计 - 实验验证” 快速迭代。

  2. 绿色制备工艺创新
    探索如溶液燃烧法、电化学沉积等低能耗、可连续化制备路线，结合 3D 打印定制复杂电极结构，降本增效同时拓展材料形态多样性，解锁更多潜在催化应用场景，力促高熵合金催化剂从实验室迈向氢能产业舞台中心。


综上，高熵合金催化剂在氢电转化领域研究虽有挑战，但前景光明，持续深耕必将重塑清洁能源转化格局，为全球可持续能源蓝图添彩。