郑州大学 刘清朝教授,AFM观点:破解活性-稳定性困局:晶格应变与d带中心协同调控高熵合金助力锂-氧气电池

锂-氧气（Li-O2）电池因其高达3500 Wh·kg-1的理论能量密度，被视为下一代高性能储能技术的理想选择。然而，其实际应用仍受限于正极氧还原反应（ORR）与氧析出反应（OER）动力学迟缓、副反应严重、循环寿命短等问题。传统贵金属催化剂（如Ru、Pt等）虽具备优异催化性能，但其高昂成本、资源稀缺及在循环过程中的结构不稳定性，严重制约了其大规模应用。如何在催化剂中同时实现高活性与高稳定性，是该领域长期面临的核心挑战。近年来，高熵合金（HEAs）因其独特的组成可调性和协同催化效应，展现出突破这一“活性-稳定性权衡”困境的巨大潜力，成为锂-氧气电池催化材料研究的前沿热点。

近日，郑州大学的刘清朝教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Taming the Activity-Stability Trade-Off in Lithium-Oxygen Batteries via Lattice Strain-Mediated d-Band Center Modulation in High-Entropy Alloys”的研究文章。该研究工作成功构筑了FeCoNiCuRu 高熵合金锂-氧电池阴极催化剂，通过晶格应变调控 d 带中心，破解电催化活性-稳定性权衡难题。该催化剂实现 0.53 V 低过电位、20696 mAh g-1高比容量，稳定循环超 300 圈，为高性能锂 - 氧电池催化剂设计提供全新策略。

本研究基于高熵合金设计理念，采用热解-还原法成功制备出从单金属到高熵体系的 Ru 基合金纳米催化剂（Ru@NC、CoRu@NC、CoNiCuRu@NC、FeCoNiCuRu@NC）。实验证实 Fe 是关键的“结构-电子协同调控枢纽”，其引入借助高熵效应引发显著晶格畸变，在原子尺度构建局部不对称应力场；同时多组分间电负性差异驱动电子重分布，优化金属位点局域微环境。通过 XRD、TEM、GPA、EXAFS 等表征确认，FeCoNiCuRu@NC呈单相FCC结构，纳米颗粒尺寸约 4 nm 且均匀分散，五种元素原子级均匀分布，晶格存在明显压缩与拉伸应变共存的不对称特征，金属位点处于不饱和配位状态，为高效催化提供充足活性位点。

实研究揭示晶格应变与电子重分布协同作用，使催化剂 Ru 位点 d 带中心向费米能级上移，强化对氧关键中间体的吸附能力，优化 ORR/OER 反应路径。原位DEMS、RRDE、拉曼光谱等测试表明，FeCoNiCuRu@NC 催化下氧反应遵循理想双电子路径，诱导生成均匀膜状 Li2O2产物，大幅提升充放电可逆性。DFT 计算验证，该催化剂 M d 轨道与 O2 2p 轨道耦合更强，ORR/OER 过电位显著降低。电化学测试显示，催化剂展现出最低的塔菲尔斜率、最高的 ORR/OER 峰电流，充放电过电位仅 0.53 V，放电比容量高达20696 mAh g-1，双功能催化动力学得到跨越式提升。

高熵效应引发的强晶格畸变，成功构建有效 “原子扩散壁垒”，从根源抑制活性金属的氧化、溶解与迁移，突破传统催化剂活性与稳定性相互制约的瓶颈。XPS 与 ICP-OES 定量分析证实，循环后 FeCoNiCuRu@NC 中金属单质态保留率远高于中熵、低熵合金，金属溶解率显著降低。电池长循环测试表明，基于该催化剂的锂 - 氧电池在 250 mA g-1电流密度、1000 mAh g-1 限容下，可稳定运行超 300 圈（2400 h），电压极化无明显攀升。本工作从晶格应变 - 电子结构动态耦合机制出发，为解决电催化领域长期存在的活性 - 稳定性权衡问题提供全新思路，也为高性能锂 - 氧电池催化剂的设计开发奠定理论与实验基础。

本研究通过晶格应变与电子协同调控策略破解锂-氧电池电催化活性-稳定性权衡难题，为高熵合金电催化剂的理性设计建立了新范式，也为高比能锂-氧电池实用化奠定重要基础。未来可依托该“结构 - 电子协同调控”机制，拓展高熵合金元素组合与构型设计，结合机器学习、高通量计算，实现催化剂晶格应变、d 带中心的原子级精准定制。该调控思路还可推广至锂硫、锌-空气、固态锂-氧等下一代储能体系，突破同类电催化瓶颈。面向产业化，需进一步攻克高熵合金催化剂宏量制备、电解液适配、全电池集成等关键问题，提升电池在高倍率、宽温域下的性能。本研究的机制与设计理念，将为开发超高比能、长寿命储能器件提供核心支撑，助力新能源交通、大规模电网储能的技术升级。

Taming the Activity-Stability Trade-Off in Lithium-Oxygen Batteries via Lattice Strain-Mediated d-Band Center Modulation in High-Entropy Alloys

刘清朝，郑州大学教授，博士生导师，河南省优青、郑州大学能源化学研究所副所长。近年来一直致力于金属-空气电池领域的基础研究。先后主持完成国家自然科学基金面上/青年项目、河南省优青、中国博士后科学基金、河南省博士后基金、郑州大学优秀青年基金等多项课题，至今以通讯/第一作者发在Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie等期刊表论文50余篇，引用4300余次，H指数28。撰写英文著作1章节，授权专利10余项。