第一作者：李思成
通讯作者：胡觉教授
通讯单位：昆明理工大学
论文DOI：10.1016/j.mattod.2025.08.030
近日，昆明理工大学胡觉教授团队在国际知名期刊Materials Today上发表题为“High-entropy materials for electrocatalysis of organics: Mechanisms, optimization, applications”的综述文章。综述首先阐述背景，指出当前有机电催化体系面临分子多样、反应复杂等挑战，而高熵材料（HEMs）凭借高熵效应、晶格畸变等四大特性突破传统催化剂局限。接着从活性位点、结构稳定性、反应动力学三维度解析HEMs结构效应与构效关系；再从元素调控、结构设计、界面工程及机器学习辅助设计四方面，详述HEMs性能优化策略。随后重点介绍HEMs在有机电氧化、电还原、电回收的应用及优异性能，最后总结HEMs优势，指出合成成本高、机理不明等挑战，提出计算驱动设计等未来方向。
全球能源紧张与环境危机下，有机电催化可实现可再生能源转化、高附加值化学品合成及有机污染物降解，契合“碳中和”与循环经济目标。有机分子结构多样，导致反应路径复杂。反应对条件敏感，副反应频繁。传统催化剂难以同时满足高活性、高选择性与长期稳定性。2004年高熵合金概念提出后，“高熵”理念拓展至硫化物、氧化物等体系，形成HEMs。其具备高熵效应、晶格畸变、缓慢扩散及多元素协同四大核心特性，可优化活性位点、提升结构稳定性、调控反应动力学，为解决有机电催化难题提供新思路，近年来在该领域展现出巨大应用潜力，成为研究热点。
1.三维度构效关系分析框架：从微观机制到宏观性能的深度关联
突破传统研究对HEMs构效关系定性描述为主的局限，构建从活性位点工程到结构稳定性再到反应动力学三维度分析框架，每个维度均结合原子级机制解析与量化实验数据支撑。在活性位点工程维度，阐述了电子相互作用如何调控活性位点d带中心，以降低中间产物吸附能降低，明确电子结构调控对活性的提升机制；在结构稳定性维度，阐明高对称晶体结构通过有序电子传输路径与原子间强结合力提升稳定性；在反应动力学维度，说明结构特性如如何协同作用加速反应动力学。从微观原子作用到宏观催化性能的精准对应，为 HEMs 催化性能优化提供明确靶向方向。
2.HEMs多体系覆盖与全链条优化策略：从材料设计到性能调控
涵盖高熵合金（HEA）、高熵氧化物（HEO）、高熵碳化物（HEC）等多类 HEMs，且针对每类体系均提供组分、结构和性能的全链条策略。在元素调控层面，明确提出原子半径差和价电子浓度匹配目标晶体结构等关键参数。在结构设计层面，系统介绍不同结构的制备方法与性能优势。在界面工程层面，详细阐述不同调控手段形成多维度、可复制的HEMs优化体系。
3.机器学习与HEMs研发深度融合：从计算加速到智能筛选的突破
创新性将机器学习（ML）贯穿于HEMs研发全流程，不仅阐述技术原理，更通过具体案例量化其应用价值。从加速DFT计算、高通量筛选、性能预测三个方面，说明ML如何缩短计算时间、筛选合适材料以及从复杂关系中预测性能，从而突破传统“试错法”研发效率低的瓶颈。
4.有机电催化三大应用场景全覆盖：从能源转化到废物回收的产业化导向
聚焦有机电氧化、电还原、电回收三大核心应用场景，每个场景均选取典型反应、匹配专属HEMs体系，并提供详细性能数据与机理分析，为产业化应用提供直接参考。在有机电氧化场景，涵盖醇类（如甲醇、乙醇、乙二醇）、甘油、甲酸、尿素等反应。在有机电还原场景，重点关注硝基化合物与CO2还原。在有机电回收场景，覆盖生物质（HMF、葡萄糖）、塑料（PGA、PET）、有机污染物（双酚A、甲基橙）。每个应用案例均对比传统催化剂性能，凸显HEMs的产业化潜力。
5.HEMs催化偏好性规律总结：从材料结构到反应机制的匹配指南
通过大量案例分析，总结不同类型HEMs的催化偏好性规律，为特定有机电催化反应选择适配 HEMs 体系提供理论指南，避免盲目研发。HEA因多金属电子耦合与双功能活性位点协同，适用于需逐步脱氢与抗中毒的反应。HEO因富含氧空位与多金属价态，适用于需氧物种参与或电子频繁转移的反应。HEIs因原子级有序排列与晶格压缩效应，适用于需选择性断裂特定化学键的反应。HEC/HES因化学稳定性高与异原子电子调控能力，适用于强腐蚀性环境或需精准控制选择性的反应。
6.挑战与未来方向的系统性梳理：从科学问题到产业化路径的清晰指引
本文在充分肯定 HEMs 优势的基础上，客观分析当前领域合成成本高、规模化制备难、实际工况稳定性差和反应机理不明四方面核心挑战。并针对性提出提出计算驱动设计、原位表征联用、绿色规模化制备以及实际工况适配四大解决方案。为HEMs从实验室走向产业化提供清晰路径。
Fig.1 The Four Key Characteristics of High-Entropy Materials
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高熵材料通常由多种元素以等原子或近等原子比例混合而成，这些元素之间会产生意想不到的协同作用，即鸡尾酒效应。不同于传统的合金主要依靠少数几种元素发挥作用，HEMs里多种元素相互配合，能带来独特的性能，比如更好的力学性能或者耐腐蚀性能等。在高熵材料中，多种不同尺寸的原子混合在晶格中，会导致晶格发生畸变。这种晶格畸变会影响材料中电子的运动、原子的扩散等过程，进而对材料的性能产生影响。由于多种元素的存在以及晶格畸变等因素，原子扩散的路径变得更加复杂，扩散的激活能升高，就像原子陷入了深陷阱一样，使得原子扩散的速率大大降低。缓慢的原子扩散对材料的热稳定性、抗蠕变性能等有积极的作用，比如能让材料在高温下更稳定，不容易因为原子扩散而发生性能退化。高的混合熵会影响材料的相结构，使得HEMs倾向于形成稳定的单相固溶体结构，而不是像传统合金那样容易形成金属间化合物等复杂相，这种单一的相结构也有助于材料性能的稳定。
Fig.2 The main regulation methods of HEMs include element adjustment, structural design, interface engineering, and machine learning-assisted design.
HEMs可以通过调整元素的种类、比例等，利用高熵效应、原子半径差等因素，优化材料的相结构与电子特性。构建多孔结构、二维超薄结构或晶格无序结构可以缩短反应物扩散路径提升传质效率、增大比表面积提高原子利用率以及产生更多活性缺陷位点，有助于增强高熵材料在有机电催化过程中的性能。HEMs与载体之间的界面作用，以及材料表面的界面重构可增强高熵材料纳米颗粒与载体的附着力、抑制团聚以及优化材料的电子结构，从而提升其抗中毒能力以及稳定性等性能。借助机器学习模型，能够加速HEMs的筛选过程，通过整合大量数据，预测出具有高活性、高稳定性的高熵材料组分与结构，减少传统试错法的成本与时间。
Fig.3 Classification of the Applications of High-Entropy Materials in Organic Electrocatalysis.It includes electrooxidation, electroreduction, and electrorecycling.
HEMs可催化醇类、甲酸、尿素等进行电氧化反应。其多金属协同、晶格畸变产生的活性位点等优势，能优化反应动力学，降低反应能垒，提升目标产物的生成效率。在电还原反应中，HEMs作为催化剂，可促使有机分子发生还原反应。凭借其多活性位点、电子协同等特性，高熵材料能有效调控反应中间体的吸附与转化，提升还原反应的选择性与效率。电回收聚焦于有机废弃物的资源化利用。以高熵材料为阴极等电极材料，在电场作用下，有机污染物等物质先转化为中间体，随后进一步反应生成CO2、H2O等，同时实现生物质、塑料等的高值化回收。
Fig.4 The Main Applications, Development Directions of HEMs in the Future, and Methods for Investigating Their Reaction Mechanisms
未来HEMs在电催化中的发展主要聚焦于理论设计、合成策略、先进表征三个核心维度。理论设计借计算引导，缩短时长、高通量筛选并预测电子结构；合成策略有多种制备方法，且材料应用于电催化中多个领域；先进表征靠原位技术，实时监测催化过程动态行为，助力理解机理与优化材料。
HEMs在有机电催化领域的优势已明确：多活性位点适配复杂反应、高稳定性抵抗苛刻条件、高选择性调控产物分布。但要从实验室走向工业化，仍需突破成本与合成、机理与表征以及实际适用性三大核心挑战。开发非贵金属 HEMs，优化规模化制备工艺，降低贵金属依赖；结合原位 TEM、XAS、拉曼等技术，实时追踪反应中活性位点动态演化，明确微量组分对产物选择性的影响；提升 HEMs 在复杂工况中的稳定性，缩小实验室性能到工业应用”差距。未来，通过计算驱动设计结合原位表征以及规模化合成”的深度融合，HEMs 有望成为有机电催化领域的主力军，为能源转化与环境修复提供更可持续的技术方案。
胡觉，女，昆明理工大学冶金与能源工程学院教授、博士生导师，入选“国家高层次人才支持计划”青年人才、云南省“兴滇英才支持计划”云岭学者，云南省杰出青年基金获得者。以第一/通讯作者在Joule、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Journal of the American Chemistry Society等期刊发表学术论文100余篇，独立出版学术专著2部，主编教材3部，获授权国家发明专利17件，获云南省自然科学二等奖（排名第1）。
