在高熵氧化物电催化剂设计中将无序转化为优势以推进锌空气电池

将无序转化为能源优势

可充电锌–空气电池因安全、成本低且使用丰富的锌和空气中的氧而被视为从电动汽车到电网储能的有吸引力选择。然而，其阴极——处理氧反应的电池部件——通常反应迟缓且易损，常依赖稀有贵金属如铂和铱来获得良好性能。本文展示了如何通过接纳而非消除氧化物材料中的原子“混乱”，创造出一种新型的耐用且高效的阴极，从而推动锌–空气电池更接近实际应用。

为什么锌–空气电池需要更好的阴极

在锌–空气电池中，两种互补的反应必须顺利进行：放电时从空气中摄取氧气，充电时释放氧气。商业化设计通常通过不同的催化剂分担这两项任务，或依赖贵金属，这会提高成本并限制耐久性。基于铈（氧化铈）的氧化物化学稳定，且能在晶格内调运氧，但在其常见的有序结构中导电性差，真正的活性位点也少。挑战在于将这种坚固但反应性较低的氧化物转变为一种能同时高效、多次完成两种氧反应的低成本单一材料。

构建有意为之的无序材料

研究人员通过制备“高熵氧化物”来解决这一问题——一种将多种金属原子混合到同一均匀晶体中的固体。从纯氧化铈出发，他们逐步向晶格中引入锰、镍、钴，最后加入铁。随着更多金属的加入，晶体并未分裂成不同相块体；相反，它形成了单一的高度混合相，不同尺寸和不同电荷的原子争占位置。详尽的成像和衍射测量表明，一旦包含五种金属，晶格会出现致密的延伸缺陷网络，如堆垛层错和位错，并伴随氧空位簇。这并非随机损伤：而是一种受控的、多层次的无序，从原子尺度向上重塑结构。

从绝缘体到快速导体

这些结构变化与材料中电子传输方式的根本转变相辅相成。在纯氧化铈中，电子被局域化，材料表现为具有较大能隙的典型半导体，从而在电池工作时限制电荷传输。在五金氧化物中，测量与模拟显示能隙大幅缩窄并表现出类半金属特征，电子能够更自由地运动。电子自旋谱显示表面上移动性“未配对”电子显著增加，而隧道实验记录到相比纯氧化铈电流跃升超过百倍。实际上，这种工程化无序将一个不情愿导电体转变为接近金属的网络，能够迅速将电荷输送到反应位点并从中回收。

创造强大的原子尺度热点

新型催化剂的核心是处于异常低配位的铈原子——其周围的氧配位数少于完美晶体中的情形。先进的X射线分析显示，在高熵氧化物中，纯氧化铈中单一、对称的铈–氧环境分裂为若干不同且扭曲的键长，周围氧的平均数下降。这些低配位铈位点富集为更易氧化的铈态，为在电池反应中捕获含氧和含羟基物种提供了开放的“钩子”。对反应路径的计算证实，这些铈中心在氧析出反应和氧还原反应的关键步骤上具有最低的能垒，而其他金属主要作为电子助力，调节电荷流并稳定结构，而不是作为主要的反应位点。

在实际锌–空气电池中的表现更佳

当作为锌–空气电池的阴极使用时，这种高熵氧化物显著优于更简单的铈基材料和传统贵金属基准。它在比商业铱氧化物更低的电压下驱动氧析出，并支持与碳载铂相媲美的快速氧还原动力学，尽管其电化学活性表面积较小。以该无序氧化物构建的电池表现出高比容量、强劲功率输出，并能在数百小时内循环且性能损失极少——远超使用铂和铱的电池寿命。值得注意的是，长时间测试中的主要失效点是锌负极的腐蚀，而不是新的阴极，其结构和电子特性保持稳定。

对未来能源存储的意义

对非专业读者而言，关键信息是原子层面的“无序”可以成为一种设计特征，而非缺陷。通过将多种金属谨慎混入氧化铈，作者创造出一种其纠结晶格富含氧空位和扭曲键的固体，解锁了快速电子传输和大量高活性的铈位点。这种多层次的无序使一种不含贵金属的单一材料能够高效且耐久地处理锌–空气电池中的双向氧化学。该工作为利用受控的原子混沌来设计更好催化剂提供了蓝图，可能不仅影响金属–空气电池，还会波及更广泛的清洁能源技术领域。

引用: Zheng, X., Mofarah, S.S., Webster, R.F. et al. Transforming disorder in the design of advanced high-entropy oxide electrocatalysts for zinc-air batteries. Nat Commun 17, 3082 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69849-4

关键词: 锌空气电池, 高熵氧化物, 电催化剂, 基于氧化铈的材料, 氧反应