在极端条件下从Cantor合金（面心立方–CoCrFeNiMn）合成高熵氢化物

这种新金属为何与氢有关

氢常被誉为未来的清洁燃料，但安全存储氢并防止其对金属造成损害仍是重大难题。本研究考察了一种不寻常的合金——Cantor合金，由五种金属等比例混合而成，并提出两个核心问题：它对氢的抵抗力有多强？如果在极端条件下强行将氢引入，会发生什么？这些答案有助于为更安全的氢技术和富氢新材料绘制路线图。

一种具有异常行为的五金混合物

大多数常见金属以一种主元素为基础，例如钢以铁为主。Cantor合金则把钴、铬、铁、镍和锰等量混合，产生高度无序但出人意料地简单的晶体结构。这类合金称为高熵合金，因其强度、耐蚀性及在能源系统中潜在应用而受到研究。早期研究表明，Cantor合金在室温下即便被压到极高压力也几乎不吸氢，这暗示它可能是有前景的抗氢材料。

将合金推向极限

为探究氢是否可能被迫进入合金，研究者在高压和高温条件下让Cantor合金样品暴露于氢中。他们使用两种高压装置：金刚石对顶砧，用来压挤微小样品；以及大体积压机，用于压缩较大的样块。在部分实验中直接装入氢气；在另一些实验中则用加热释放氢的固体化学物质。透过样品的X射线和中子束显示了随着条件提升，晶体结构和原子体积如何变化。

创造出一种新的富氢相

在接近或略高于100 °C的中等温度以及远高于典型工业设备所能达到的极高压力下，合金最终让步，形成了新的含氢相。该相保留了原有的面心立方金属原子排列，但体积膨胀，明确表明氢原子已滑入金属间的空隙。与已知金属–氢系统的细致比较表明，在所测试的最极端条件下，该材料平均每个金属原子可容纳大约一个氢原子。在较为温和的压力下，氢含量较低，表明该合金在吸氢方面仍然顽固。

氢到底坐在哪些位置

为确定氢在晶格中的确切位置，团队结合了计算机模拟和中子衍射——一种对像氢这样的轻原子（此处研究为其较重的同位素氘）特别敏感的技术。计算表明，氢更倾向于占据金属晶格中较大的“八面体”空位，而不是较小的“四面体”空位，且填充这些八面体位点有利于面心立方相相对于竞争结构的稳定。高压高温实验的中子数据证实了这一图景，直接揭示了八面体位点中的氘，并表明氢含量可变且在卸压后会再次下降。

这对氢能技术意味着什么

就实际应用而言，关键结论是Cantor合金在现实世界的压力和温度下仍高度抗氢，这支持其作为在暴露于氢环境中的坚固结构材料的使用。同时，研究证明如果施加足够强的条件，该合金能够转变为一种富含氢的“高熵氢化物”，约每个金属原子对应一个氢原子，且氢占据晶格中的特定空位。这种双重特性——在服役条件下抗氢但在极端条件下能形成明确的氢化物——为理解复杂合金与氢相互作用增添了重要一环，并可能指导面向新兴氢经济的未来材料设计。

引用: Glazyrin, K., Spektor, K., Bykov, M. et al. Synthesis of high-entropy hydride from the cantor alloy (fcc–CoCrFeNiMn) at extreme conditions. Nat Commun 17, 2622 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70483-3

关键词: 高熵合金, Cantor合金, 金属氢化物, 氢储存, 高压材料