吉林大学Materials Horizons：基于热力学框架的高熵材料合成动力学判据的构建

1.引言

高熵材料（High entropy materials，HEMs）由于其结构多样性和调控潜力而引起了越来越多的研究兴趣。目前已经报道了许多关于HEMs合成标准，但大多数是基于热力学，而缺乏HEMs实验合成的指导依据，导致了许多合成方面的问题。本文基于HEMs的热力学形成标准，探讨了基于该标准发展的合成动力学原理以及不同合成动力学速率对反应最终产物的影响，填补了存在的缺口，表明热力学标准无法指导具体的过程变化。这将为材料合成的高级设计提供更具体的指导。通过考虑HEMs合成标准的各个方面，提取了适用于高性能HEMs催化剂的新技术。此外，可以更好地预测实际合成中得到的HEM的物理和化学特性，对具有特定性能的HEMs的个性化定制起到重要作用。对HEMs合成的未来发展方向进行了展望，以可能预测和定制高性能HEMs催化剂。

2.成果展示

近日，吉林大学材料科学与工程学院郑伟涛教授、田宏伟教授基于高熵材料的发展历史及经典热力学存在的缺陷构建了一种新的合成动力学判据。从经典的热力学标准和影响因素入手，着重关注了尚未深入讨论的合成动力学。需要注意的是，所讨论的合成动力学仍然遵循热力学标准作为有效的补充。只有在热力学标准确定可行性的前提下，合成动力学才能用于连接反应的起点和终点，为HEMs的合成提供强有力的指导。只有更多地考虑这些标准，才能有效预测、合成和应用HEMs，也是HEMs合成领域的重要基石。对这一标准的深入探索将带来更多更新的思路。本论文提出了一些建议，包括建立动力学、机器学习、非平衡合成技术和高时空分辨率表征之间的关系。作者相信，通过更多的努力，HEMs合成标准将得到扩展，并且新的合成标准体系将对合成起到有意义的指导作用，并有效地连接各种催化反应动力学，为更高效开发新型HEMs催化剂带来新的热潮。该论文以“Insights into High Entropy Material Synthesis Dynamics Criteria Based on Thermodynamic Framework”为题发表在Materials Horizons上。第一作者为材料物理与化学专业硕士研究生孟泽硕同学，共同第一作者为材料物理专业本科生徐梓晋同学。

3.本文要点

要点1：高熵材料的经典热力学判据及预测手段

高熵材料通常指由五种及五种以上元素等摩尔比组成的，构型熵大于1.5R的单相固溶体。目前，高熵材料的合成及预测策略已经被有效的开发。这些策略通常基于经典的热力学判据完成对于结构及性质的预测，例如吉布斯自由能、元素电负性差异、尺寸差异、化合价和过剩熵等等。相应的预测手段包含第一性原理计算、分子动力学模拟、计算相图与机器学习等等。这些热力学判据及预测手段仍在被不断的发掘与探索。

要点2：洞察动力学因素对高熵材料的影响

尽管热力学判据在预测高熵材料方面取得了一定的成效，但是仅基于状态量绘制高熵材料的蓝图仍存在困难。合成过程中仍存在许多无法解释的问题。例如，目前仍不能有效地阐明高熵材料的固溶机理，亦难以解释不同合成路径的产物其表界面性质存异的原因。因此，应更加重视合成过程期间的过程量(动力学因素)的影响。不同合成路径中的能量传递方式及离子固溶机制等均存在差异，这也将导致产物性能的差异化。

要点3：合成动力学建立与发展的未来之路

对合成动力学的深入研究将有助于设计新型高熵材料的合成方法，亦可以减少不必要的能量输入，使制得的高熵材料更具反应性，并带来更多的破纪录性能。深入研究合成动力学理论和开发适用于高性能高熵催化剂的合成方法应是高熵材料合成动力学相关未来研究的重点，包括建立动力学之间的关系，使用机器学习和非平衡合成技术，以及涉及更高时空分辨率的表征等等。

热力学判据基础下的合成动力学理论

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.

文章链接：https://doi.org/10.1039/D3MH00360D