高熵合金多元素协同实现高效锌空气电池双功能氧电催化【科学指南针·技术支持·2025】

武汉大学晏宁教授课题组在《Journal of Energy Chemistry》发表创新研究成果，通过开发基于丰度元素的高熵合金，成功实现锌空气电池中高效双功能氧电催化。科学指南针平台为本研究提供电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP）和振动样品磁强计（VSM）关键测试服务支持，助力材料表征与性能验证。

研究背景与氧电催化挑战

氧电催化技术在可再生能源转换与存储领域具有关键地位，涉及燃料电池、水电解、电合成及金属空气电池等多种应用。氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）作为核心半反应，其缓慢动力学和多重质子/电子转移过程严重制约能源设备效率。

核心技术瓶颈：

• ORR和OER反应能垒高，存在显著极化损耗

• 催化过程中的线性标度关系限制中间体吸附能独立优化

• 理论最小过电位始终高于0.3V，难以突破热力学限制

• 传统贵金属催化剂成本高昂，稳定性差

• 双功能催化剂的活性和耐久性难以兼顾

创新方法：高熵合金设计与多元素协同

研究团队选取锰、铁、钴、镍、铜和锌等六种第一排过渡金属，开发31种多金属纳米颗粒作为模型催化剂，突破传统催化设计思路。

技术突破要点：

• 利用丰度元素构建高熵合金，降低材料成本

• 多元素协同效应优化电子结构，增强催化活性

• 高熵表面形成混合氧化物，提供多位点协同机制

• 双晶格氧机制提升氧析出反应效率

• 系统研究金属元素数量与催化活性关联规律

科学指南针技术支持与表征分析

科学指南针平台提供关键表征技术支持，为材料性能评估和机理研究提供可靠数据支撑。

技术支持内容：

• 电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP）精确分析元素组成

• 振动样品磁强计（VSM）测量材料磁学性能

• 元素分布与价态分析验证高熵合金均匀性

• 磁性特征与催化活性关联性研究

机理研究与性能验证

通过先进原位表征技术深入揭示高熵合金的动态表面演变机制和催化机理。

机理研究突破：

• 原位拉曼光谱证实表面结构演变过程

• 表面增强红外吸收光谱识别反应中间体

• 微分电化学质谱追踪气体产物演化

• 多元素协同作用打破线性标度关系限制

• 双功能催化活性显著提升，稳定性优异

应用前景与总结

高熵合金催化剂为锌空气电池性能提升提供创新解决方案，推动可再生能源技术发展。

创新价值总结：

• 丰度元素高熵合金设计降低催化剂成本

• 多元素协同效应突破热力学限制

• 科学指南针表征技术支撑材料研究

• 为高效能源转换设备开发提供新范式

应用前景：

• 高性能锌空气电池商业化应用

• 燃料电池催化剂优化设计

• 电解水制氢技术提升

• 可再生能源存储系统开发

论文信息：Journal of Energy Chemistry, 2025

DOI：10.1016/j.jechem.2025.11.047

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