导语
锌空气电池因其高理论能量密度和低成本被视为下一代储能技术，但其商业化受制于昂贵且不稳定的贵金属空气电极催化剂。近日，武汉大学晏宁教授团队在能源化学权威期刊《Journal of Energy Chemistry》 上发表重要研究成果。该团队利用焦耳闪烧技术 ，在不到10秒 的瞬时高温下，成功将锰、铁、钴、镍、铜、锌六种廉价金属融合，制备出高性能高熵合金双功能电催化剂。基于该催化剂的锌空气电池展现出145.5 mW cm⁻² 的高功率密度，并在长达1050小时的循环测试后性能衰减极微，全面超越商用铂碳+氧化钌贵金属体系，为低成本、长寿命金属空气电池的发展提供了关键材料解决方案。
🔍 研究亮点
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秒级超快合成 ：采用焦耳闪烧技术 ，在**<10秒**内完成六种金属的原子级均匀合金化，高效抑制元素挥发。
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卓越双功能活性 ：催化剂在氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应中均表现优异，其OER质量活性是商用RuO₂的6倍。
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超长循环稳定性 ：组装的锌空气电池在1050小时 连续循环后，电压衰减小于3.6%，稳定性远超贵金属基准。
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创新反应机制 ：揭示了高熵合金表面 "多站点协同" 与 "双站点晶格氧机制" ，从根源上解释了其高性能原因。
📊 图文解析
图1 & 2：研究方法与结构演变
研究系统性地提出了从合成到机理的完整框架（图1）。
核心合成过程（图2）显示，焦耳闪烧的瞬时高温（约10秒）成功将多金属前驱体从非晶/多相态转变为元素分布均匀的单一面心立方结构高熵合金。HAADF-STEM和元素面扫图像直观证实了六种金属达到了原子尺度的均匀混合，这是其产生协同效应的结构基础。
图3：表面电子结构调控
XPS分析揭示了高熵合金独特的电荷重分布：电负性较高的Ni、Cu获得电子，而Mn、Fe、Co、Zn失去电子，形成了优化的表面电子环境。随着合成温度升高，金属平均价态降低，d带中心下移，表明更强的金属间相互作用增强了催化剂的抗氧化和抗腐蚀能力，为其长期稳定性提供了电子结构层面的解释。
图4：顶尖的电化学与器件性能
电化学测试数据令人印象深刻（图4）。经过8000次电位循环，催化剂的ORR和OER活性几乎无衰减。在锌空气电池实际测试中，其峰值功率密度达到145.5 mW cm⁻² ，并且在长达1050小时的循环中，充放电电压间隙仅增加0.9 V，性能全面碾压贵金属对照组，展现了接近实用化的耐久性。
图5 & 6 & 7：多元素协同机制深度揭示
通过先进的原位光谱（如SEIRAS、Raman）和差分电化学质谱（图5），研究团队捕捉到了关键证据：在高熵合金表面，ORR通过多个活性站点协同 进行，而OER则绕过了传统的吸附物演化机制，启用了更为高效的双站点晶格氧机制。
DFT理论计算（图7）进一步从能量角度证实，这种独特的机制显著降低了反应能垒。
机理示意图（图6）总结认为，元素数目越多，越有利于形成这种多站点协同与晶格氧参与的反应路径，从而同时获得高活性和高稳定性。
⚙️ 技术支撑
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焦耳闪烧快速合成系统：实现毫秒级升温与精准控温，是制备均一高熵合金、避免元素偏析的关键。
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多维先进表征平台：结合原位红外、拉曼光谱、XPS、球差电镜等，从表面化学到原子结构进行全方位解析。
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工况下的机理探测技术：采用原位光谱与同位素标记质谱联用，实时追踪催化反应过程中的中间体与路径演变。
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理论计算模拟：通过DFT计算电子结构、电荷分布与反应自由能，从原子尺度阐明"结构-性能"关系。
💎 总结与展望
本工作通过创新的焦耳闪烧技术，突破了多元素高熵合金快速、均匀合成的难题，并首次系统揭示了其作为双功能氧催化剂的高性能本质源于多元素协同诱导的新反应机制。这种机制不仅打破了传统催化剂的线性 scaling relation 限制，更赋予了材料卓越的耐久性。所组装的锌空气电池在功率密度和循环寿命上取得的突破性进展，充分证明了该催化剂替代贵金属的巨大潜力。这项研究为设计下一代低成本、高性能能源转换材料提供了全新的思路与坚实的实验基础，有望加速锌空气电池等技术的商业化进程。
文献信息
Zhi-yuan Mei, Ancang Yang, Yongxin Yang, et al. Multielement synergy in high-entropy alloys based on earth-abundant elements for advanced bifunctional oxygen electrocatalysis in a robust zinc-air battery. Journal of Energy Chemistry , 2025.