吉林大學Materials Horizons：基于熱力學框架的高熵材料合成動力學判據的構建

1.引言

高熵材料（High entropy materials，HEMs）由于其結構多樣性和調控潛力而引起了越來越多的研究興趣。目前已經報道了許多關于HEMs合成標準，但大多數是基于熱力學，而缺乏HEMs實驗合成的指導依據，導致了許多合成方面的問題。本文基于HEMs的熱力學形成標準，探討了基于該標準發展的合成動力學原理以及不同合成動力學速率對反應最終產物的影響，填補了存在的缺口，表明熱力學標準無法指導具體的過程變化。這將為材料合成的高級設計提供更具體的指導。通過考慮HEMs合成標準的各個方面，提取了適用于高性能HEMs催化劑的新技術。此外，可以更好地預測實際合成中得到的HEM的物理和化學特性，對具有特定性能的HEMs的個性化定制起到重要作用。對HEMs合成的未來發展方向進行了展望，以可能預測和定制高性能HEMs催化劑。

2.成果展示

近日，吉林大學材料科學與工程學院鄭偉濤教授、田宏偉教授基于高熵材料的發展歷史及經典熱力學存在的缺陷構建了一種新的合成動力學判據。從經典的熱力學標準和影響因素入手，著重關注了尚未深入討論的合成動力學。需要注意的是，所討論的合成動力學仍然遵循熱力學標準作為有效的補充。只有在熱力學標準確定可行性的前提下，合成動力學才能用于連接反應的起點和終點，為HEMs的合成提供強有力的指導。只有更多地考慮這些標準，才能有效預測、合成和應用HEMs，也是HEMs合成領域的重要基石。對這一標準的深入探索將帶來更多更新的思路。本論文提出了一些建議，包括建立動力學、機器學習、非平衡合成技術和高時空分辨率表征之間的關系。作者相信，通過更多的努力，HEMs合成標準將得到擴展，并且新的合成標準體系將對合成起到有意義的指導作用，并有效地連接各種催化反應動力學，為更高效開發新型HEMs催化劑帶來新的熱潮。該論文以“Insights into High Entropy Material Synthesis Dynamics Criteria Based on Thermodynamic Framework”為題發表在Materials Horizons上。第一作者為材料物理與化學專業碩士研究生孟澤碩同學，共同第一作者為材料物理專業本科生徐梓晉同學。

3.本文要點

要點1：高熵材料的經典熱力學判據及預測手段

高熵材料通常指由五種及五種以上元素等摩爾比組成的，構型熵大于1.5R的單相固溶體。目前，高熵材料的合成及預測策略已經被有效的開發。這些策略通常基于經典的熱力學判據完成對于結構及性質的預測，例如吉布斯自由能、元素電負性差異、尺寸差異、化合價和過剩熵等等。相應的預測手段包含第一性原理計算、分子動力學模擬、計算相圖與機器學習等等。這些熱力學判據及預測手段仍在被不斷的發掘與探索。

要點2：洞察動力學因素對高熵材料的影響

盡管熱力學判據在預測高熵材料方面取得了一定的成效，但是僅基于狀態量繪制高熵材料的藍圖仍存在困難。合成過程中仍存在許多無法解釋的問題。例如，目前仍不能有效地闡明高熵材料的固溶機理，亦難以解釋不同合成路徑的產物其表界面性質存異的原因。因此，應更加重視合成過程期間的過程量(動力學因素)的影響。不同合成路徑中的能量傳遞方式及離子固溶機制等均存在差異，這也將導致產物性能的差異化。

要點3：合成動力學建立與發展的未來之路

對合成動力學的深入研究將有助于設計新型高熵材料的合成方法，亦可以減少不必要的能量輸入，使制得的高熵材料更具反應性，并帶來更多的破紀錄性能。深入研究合成動力學理論和開發適用于高性能高熵催化劑的合成方法應是高熵材料合成動力學相關未來研究的重點，包括建立動力學之間的關系，使用機器學習和非平衡合成技術，以及涉及更高時空分辨率的表征等等。

熱力學判據基礎下的合成動力學理論

文章信息：

Zeshuo Meng^#, Zijin Xu^#, Hongwei Tian^*, Weitao Zheng^*, Insights into High Entropy Material Synthesis Dynamics Criteria Based on Thermodynamic Framework, Materials?Horizons,?2023,?10(9):?3293-3303.

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH00360D