高熵合金(HEAs)由于其多元素组成，具有独特的机械性能，受到了科研工作者广泛的关注。此外，许多非传统特性（慢扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应）使 HEA 在许多领域（热电、磁热、超导和催化材料）具有极大的吸引力。此外，HEA 的制造不需要特殊设备，这表明其大规模生产的巨大潜力。鉴于此，郑州大学付永柱教授和王鑫博士等人综述了其核心概念、相形成、独特性质及应用等几个重要方面。同时也指出了高熵合金在功能化应用中的挑战，并预测了未来的发展方向。
研究概述
随着人类制造材料能力的提高，合金材料从二元合金体系发展到复杂的成分体系，开辟了新的应用领域，加速了人类文明的发展。近年来，高熵合金(HEAs)以其独特的概念和独特的性能在各个领域引起了广泛的关注。合金优异的力学性能，如优异的强度、令人难忘的耐腐蚀性和优异的热稳定性，是对传统合金的继承和超越。因此，HEAs 已成为一类新兴的先进材料，引领了一个全新的领域。基于独特的合成方法，HEAs 呈现出惊人的能量适配性和环境适应性，赋予了 HEAs 广阔的应用前景。全面认识了解，并且开发利用此类材料已经越来越受到科研工作者的广泛关注。
基于这样的背景，郑州大学化学学院付永柱教授团队对多元复杂合金体系的基本概念、历史发展、合成手段的分类及演进以及该类型纳米材料在多种先进功能材料领域的相关研究进行了归纳总结并有针对性地提出了未来的研究方向。该项工作将有助于更好地探索纳米高熵合金体系的构建，合金物理化学性质和材料性能之间的关系，并为后续的相关研究提供科学依据。
文章导读
▲ | 图 1 |
图 1 展示了在过去几十个世纪里，金属材料从单一基体材料不断发展到复杂多元体系，并且开发出各种类型的新型合金的历史演变。而自从 2004 年开始，高熵合金概念被科学家提出以来，相关的研究工作呈现指数增长，反映了这类型材料欣欣向荣的发展趋势。
▲ | 图 2 |
图 2 包括高熵合金的定义，即组分数和熵值的关系，以及该类材料的几种常见物理效应。高熵合金种类多样，在元素周期表中许多金属元素都可以应用于此类材料的合成。
▲ | 图 3 |
图 3 为高熵合金的传统合成方法，包括液态合成、固态合成和气态合成。虽然他们都各具特色，而且在高熵合金机械材料中应用广泛，但是在将其功能化方面存在着许多不可避免的问题，如制备过程复杂、耗能多、制备的合金材料尺寸大，难以体现功能化特性等缺点。因此，开发新型的合成策略和手段至关重要。
▲ | 图 4 |
新型合成手段例如图 4 所示的碳热震荡法。这一方法可以精确控制合金的组分、粒径和元素分布等，并且可以将合金与碳材料有机结合，后续进一步作为催化材料应用。
▲ | 图 5 |
图 5 展示了 2010 年以来 HEA 相关储氢材料的进展与发展。从其发展历程来看，作为储氢材料，HEA 还是一类新型材料，现阶段还处在不断开发更多体系、提高储氢容量、降低储氢温度、延长服役时间等参数的阶段。相信在不远的未来，高熵合金的储氢机理以及高效、廉价储氢将在实际应用中有所体现。
▲ | 图 6 |
图 6 为近年来各种高熵热电材料的时间演化。同样，高熵合金在热电领域的应用才刚刚五六年，不仅具有热电效应的高熵合金体系被发现越来越多，而且相关的热电参数也越来越高。在近几年，非传统合金元素被引入高熵合金，发现可以大大增强其热电转换系数，开拓了热电材料的领域。
▲ | 图 7 |
超导材料在进入 21 世纪以来受到了人们越来越多的关注，这主要是由于能源是生产生活中“卡脖子”的关键因素，减少电力传输以及使用过程中能量损失具有重大的经济价值。图 7 根据不同的材料类型对 HEAs 在超导材料中的应用进行了分类。各种不同晶体结构的高熵合金被发现都具有超导特性，而且经过改性之后超导转变温度明显提高至液氮温度，为超导理论和实际应用提供了研究模板。
▲ | 图 8 |
图 8 为近几年来高熵纳米材料在催化领域中的应用。经过合理的设计和精巧的合成，高熵材料在氨气氧化和甲烷氧化反应中具有优异的性能，不仅极大地降低了反应温度，而且反应效率大大提升。其性能的提升主要来源于高熵合金化过程所导致的“鸡尾酒”效应。这反应出此类材料在催化领域大有可为。
小结
本文首先对多元高熵合金的历史发展进行了梳理，随后对该类型材料的基础理论和核心概念进行了总结。材料研究利用的基础是合成化学，因此本文对于高熵合金的传统合成方式进行了总结，并着重介绍了多种新颖的制备策略。众多研究表明，高熵合金在环保去污、储存氢气、储能器件、电磁屏蔽、热电材料、防辐射材料、磁热材料、超导材料、记忆合金材料和催化材料等领域都具有广阔的研究前景。并且，经过对基体材料进行合理的设计，如掺杂、表面修饰、与其他材料复合等手段可以进一步提高其对应的性能。本文的最后对高熵合金在功能化利用方面仍然存在的问题进行了归纳，并有针对性地提出对策，这对后续的合金材料开发利用具有指导意义。
论文信息
High-Entropy Alloys: Emerging Materials for Advanced Functional Applications
Xin Wang（王鑫，郑州大学）, Wei Guo, Yongzhu Fu*（付永柱，郑州大学）
J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 663-701
http://doi.org/10.1039/D0TA09601F
郑州大学第一作者简介
郑州大学直聘副教授，2018 年 7 月博士毕业于北京大学无机化学专业，获力学博士学位，导师是黄富强教授；同年入职郑州大学化学学院，研究方向主要为多元复杂合金体系的构建、合金复合材料的可控合成及其在二氧化碳转化中的应用和优化等领域。相关研究成果发表在 Chem. Mater.，J. Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Inter.，Chemsuschem，J. Power Sources，Carbon 等期刊，共计 40 余篇，总引用为 1100 余次，h 指数 16，其中以第一/通讯作者发表共 15 篇 SCI 收录论文, 申请专利 2 项。主持中国博士后科学基金面上资助项目和河南省自然科学青年基金项目等 4 项。在国内外学士会议进行口头报告 3 次，获得中国化学会电催化与电合成国际研讨会最佳青年报告人奖以及缺陷化学和能源材料国际研讨会最佳海报奖，入选郑州大学青年拔尖人才。=
郑州大学通讯作者简介
郑州大学化学学院特聘教授，博士生导师，国家海外高层次人才项目入选者，郑州大学化学学院副院长，Energy & Environmental Materials 期刊副主编。2017 年 7 月入职郑州大学。主持 NSFC-河南联合重点项目 1 项，国家自然科学基金面上项目 1 项，河南省创新引领专项子课题1项等等。研究领域包括高能量电池电极材料、高离子选择性膜材料以及高效催化材料。以通讯作者或第一作者在 Acc. Chem. Res., Angew. Chem., Adv. Funct. Mater. 等期刊上发表论文 100 余篇。
