研 究 背 景

钙钛矿氧化物（ABO₃）凭借其灵活的晶体结构和可调的电子构型，在电催化反应（析氧反应OER、氧还原反应ORR、二氧化碳还原CO₂RR）以及燃料电池、电解池和可充电电池等领域被广泛研究。然而，传统钙钛矿氧化物在实际工况下往往面临相稳定性不足、反应动力学迟缓、结构退化等严峻挑战。表面修饰、元素掺杂等传统改性策略虽能部分缓解问题，但常伴随活性位点减少或导电性下降等副作用。

高熵工程，这一最初在金属合金领域大放异彩的设计理念，为解决上述难题提供了全新路径。通过在钙钛矿的A位、B位或两位同时引入五种及以上近等摩尔比的主元阳离子，体系可获得极高的构型熵，从而热力学上稳定单相固溶体结构。高熵钙钛矿氧化物将钙钛矿的成分灵活性与熵驱动的相稳定性相结合，实现了对结构和功能前所未有的控制。

研 究 亮 点

1.重新定义熵的角色：综述突破传统认知，将熵从“固定的结构特征”重新定义为“主动且可调的设计参数”。构型熵、振动熵和电子熵的协同作用，不仅稳定了晶格，更动态地调控了电子结构、缺陷化学和界面行为。

2.原位/工况表征揭示动态机制：综述重点强调，结合原位傅里叶变换红外光谱、原位拉曼光谱等先进技术，可直接捕捉高熵晶格在电化学偏压下的动态响应。

3.计算与实验深度融合：密度泛函理论计算揭示了熵驱动下多原子轨道杂化增强吸附强度的微观机制；机器学习框架则实现了氧空位形成能的快速高通量预测，为成分筛选提供了有力工具。

图 文 解 析

图1  高熵钙钛矿氧化物用于能源转换与存储系统概览图

该示意图系统梳理了高熵钙钛矿氧化物的研究框架：从熵驱动的成分设计出发，涵盖多种合成策略、理论计算方法、原位表征技术，最终汇聚于能源转换（OER、ORR、CO₂RR、SOFCs/SOECs）与能源存储（锂/钠电池、超级电容器、金属-空气电池）两大应用领域。

研 究 小 结

尽管高熵钙钛矿氧化物（HEPOs）在能源领域展现了广阔前景，但从实验室走向实际应用仍面临多维度瓶颈。首要挑战在于合成可控性与长期稳定性：将五种及以上主元阳离子均匀置入单一晶格绝非易事。传统固相反应法虽简单可放大，但往往需要≥1400°C的高温，易导致低熔点A位阳离子挥发而造成成分偏离；湿化学法虽能实现分子级混合，却受限于不同金属离子水解和络合行为的差异，局部成分不均问题依然突出。更为关键的是，HEPOs在真实工况下的长效服役表现尚未得到充分验证。反复的氧化还原循环、高电位和高温条件可能引发阳离子迁移、氧空位聚集、表面重构甚至选择性溶解，而高含CO₂气氛中的碳酸化反应和金属连接体挥发的Cr物种导致的铬中毒风险，均可能加速性能衰减。与此同时，HEPOs局域配位环境的多样性和动态演化特性，使传统描述符（如eg轨道占据数、氧空位形成能）在该类高度化学无序体系中的预测准确性大打折扣，如何建立“熵-局域结构-宏观性能”的定量关联成为理论计算与实验表征共同面临的核心难题。

破解上述困局的核心路径在于多维度创新范式的协同推进。在材料发现层面，面对百万级的潜在成分组合空间，单纯依赖试错法已不可持续。机器学习模型已实现氧空位形成能的高精度预测，未来结合高通量DFT计算与机器人自动化合成，有望实现从“经验试错”向“按需设计”的范式跃迁。在结构拓扑层面，当前研究应突破ABO₃简单钙钛矿的局限，积极拓展高熵双钙钛矿、Ruddlesden-Popper相及层状氧化物等新结构体系，利用其多重可调性和独特的多离子混合传导通道进一步突破活性-稳定性权衡。在策略维度上，将高熵效应与原位析出、应变工程和阴离子掺杂）等协同集成，是释放性能极限的关键。最终，上述突破的实现依赖于原位/工况表征（如原位XRD/XAS、常压XPS）与多尺度计算模拟（DFT+机器学习+相场模拟）的深度融合闭环。唯有获取工况下真实的局域结构、电荷分布和动态演化信息，才能最终建立指导高性能HEPOs理性设计的完备知识体系，推动其从学术概念迈向商业化的下一代可持续能源技术平台。

作者简介

通讯作者：WooChul Jung

WooChul Jung教授于2010年获得美国麻省理工学院（MIT）材料科学与工程系博士学位，2010-2013在加州理工学院（Caltech）从事博士后研究。现任首尔国立大学材料科学与工程系副教授。研究方向着重于固体氧化物燃料电池，电解槽和气体渗透膜中气体和离子晶体之间的界面反应动力学的表征与优化，开发具有界限清楚的几何形状氧化模型结构以及通过各种化学/电化学技术表征实际的界面特性。曾获得宋南杰出研究奖和韩国金属与材料研究所青年科学家奖。迄今已发表文章60余篇，其中包括Nature Nanotechnology，Journal of the American Chemical Society，Nature Communications，Joule，Energy & Environmental Sciences，Advanced Materials，ACS Nano，Nano Letters 等。

通讯作者：孙海南

南通大学化学化工学院教授，硕士生导师，江苏特聘教授，南通市江海英才。2020年博士毕业于南京工业大学化工学院（导师周嵬教授和邵宗平教授），2020-2023年于韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系任博士后研究员和研究助理教授（合作导师：WooChul Jung教授），2024年1月加入南通大学化学化工学院。近年来主要从事新能源催化材料与器件方面的研究，以第一作者和通讯作者在Advanced Energy Materials (2), Advanced Functional Materials (4), InfoMat (1), Carbon Energy (3), Advanced Science (1), Energy & Environmental Materials (1), Journal of Materials Chemistry A (4), Chemistry of Materials (1), Small (4), Small Methods (2), Chemical Engineering Journal (1), ACS Applied Materials & Interfaces (2)等国内外知名刊物发表论文80余篇，论文总引用4800余次。入选2025年全球前2%顶尖科学家榜单。担任Carbon Energy、InfoMat、Advanced Powder Materials、Tunstgen等期刊青年编委。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

High Entropy–Driven Performance Enhancement in Perovskite Oxides for Energy Conversion and Storage Systems

文章研究方向：

电催化— —CO₂还原、氨合成、氢析出（HER）、燃料电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70262

DOI: 10.1002/cey2.70262

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

2-年影响因子 21.4

5-年影响因子 21.3

JCR分区 Q1

CiteScore 32.7

官网 www.carbonenergy.org

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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