一、【科学背景】
高熵合金是由五种或更多金属元素以接近等原子比组成的固溶体材料，因其独特的“高熵效应”、晶格畸变、缓慢扩散而表现出优异的力学性能、耐腐蚀性、热稳定性和催化活性。近年来，亚纳米尺度（<2 nm）的高熵合金（SHEAs）因其极大的比表面积和量子尺寸效应，在催化等领域展现出巨大潜力。然而，随着尺寸减小，表面能急剧升高，导致SHEAs易于团聚或失活，稳定性成为制约其实际应用的关键瓶颈。传统的高温合成方法难以实现足够快的加热与冷却速率（>107 K/s），无法在亚纳米尺度下实现均匀的元素混合与结构稳定。
二、【科学创新】
今日，来自中国科技大学的刘敬祥（合肥微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员）和熊宇杰教授（现任安徽师范大学常务副校长）通过利用局域表面等离子体共振效应与液体中的激光破碎技术，成功合成了SHEAs。金纳米颗粒在激光激发下产生热电子，促进金属离子还原；而7纳秒激光脉冲诱导的超快加热与冷却循环则将多种金属融合成具有增强稳定性的SHEAs。该方法可实现多达十种元素的SHEAs合成。所选的AuPtRuRhIr SHEAs在质子交换膜电解槽中表现出极高的稳定性，在2.12 V电压和2 A cm-2电流密度下可持续运行超过1,200小时。本研究为SHEAs的制备提供了一种通用策略，适用于多个领域。相关成果以“Rapid synthesis of subnanoscale high-entropy alloys with ultrahigh durability”为题发表在国际材料领域顶级期刊Nature Materials。
【数据概览】
图 1 AuPtRuRhIr SHEAs 的形貌、成分与结构表征：a，SHEAs 的制备流程示意图。b–h，AuPtRuRhIr SHEAs 的透射电子显微镜图像 (b和c)、高分辨透射电子显微镜图像 (d)、高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像 (e)、尺寸分布统计图 (f)、HAADF-STEM 图像及相应的能量色散X射线光谱元素面分布图 (g) 和 X 射线衍射图谱 (h)。©2025 Springer Nature
图2 SHEAs 的元素分布：a–f，五元 AuRuRhIrPd (a)、十元 AuPtRuRhIrPdCuOsNiCo (b)、六元 AuPtRuRhIrPd (c)、八元 AuPtRuRhIrPdCuOs (d)、七元 AuPtRuRhIrPdCu (e) 和九元 AuPtRuRhIrPdCuOsNi SHEAs (f) 的 HAADF-STEM 图像及相应的 EDS 元素面分布图。©2025 Springer Nature
图 3 SHEAs 的分子动力学模拟：a，用于 MD 模拟的 AuPtRuRhIr SHEAs 原子结构模型示意图。b，五元 AuPtRuRhIr、六元 AuPtRuRhIrPd、七元 AuPtRuRhIrPdCu、八元AuPtRuRhIrPdCuOs、九元 AuPtRuRhIrPdCuOsNi 及十元 AuPtRuRhIrPdCuOsNiCo 的模拟 XRD 图谱。c,d，五元 AuPtRuRhIr 体系的均方位移曲线 (c) 和径向分布函数曲线 (d)。黄色、粉色、绿色、蓝色及青色球分别代表 Au、Pt、Ru、Rh 和 Ir 原子。©2025 Springer Nature
图 4 AuPtRuRhIr SHEAs 用于电催化全水分解的性能：a–c，AuPtRuRhIr SHEAs、Au 及 Pt/C 在 0.5 M H₂SO₄ 酸性溶液中用于析氢反应的：经 iR 校正的线性扫描伏安曲线 (a)、对应的塔菲尔斜率图 (b)，以及在 500 mA cm⁻² 与 2000 mA cm⁻² 电流密度下的过电位与塔菲尔斜率对比图 (c)。d，AuPtRuRhIr SHEAs 在 2000 mA cm⁻² 恒定电流密度下的计时电位曲线。插图：HER 测试 100 小时后的 AuPtRuRhIr SHEAs 的 TEM 图像。e–g，AuPtRuRhIr SHEAs、Au 及 RuO₂ 在 0.5 M H₂SO₄ 酸性溶液中用于析氧反应的：经 iR 校正的极化曲线 (e)、对应的塔菲尔斜率图 (f)，以及在 500 mA cm⁻² 与 2 A cm⁻² 电流密度下的过电位与塔菲尔斜率对比图 (g)。h，AuPtRuRhIr SHEAs 在 2 A cm⁻² 恒定电流密度下的计时电位曲线。插图：OER 测试 100 小时后的 AuPtRuRhIr SHEAs 的 TEM 图像。i，在室温条件下，使用 Nafion 115 膜，分别以 AuPtRuRhIr SHEAs 作为阴阳极催化剂与商用 Pt/C (阴极) || RuO₂ (阳极) 组装的质子交换膜电解池的极化曲线。j，采用 AuPtRuRhIr SHEAs 与 Pt/C||RuO₂ 催化剂的 PEM 电解池性能对比。k，在室温、2 A cm⁻² 电流密度下，采用 AuPtRuRhIr||AuPtRuRhIr 与 Pt/C||RuO₂ 催化剂的 PEM 电解池的长时间稳定性测试曲线。©2025 Springer Nature
三、【科学启示】
这项研究通过巧妙利用局域表面等离子体共振（LSPR）热电子与激光诱导的超快热循环，成功攻克了亚纳米高熵合金合成中高表面能导致的稳定性难题。该方法在室温、无基底条件下实现了多达十种金属元素的均匀融合，为多元纳米材料的精准合成提供了普适性新策略。所制备的AuPtRuRhIr亚纳米高熵合金在质子交换膜电解槽中展现出卓越的双功能催化活性和超长达1200小时的运行稳定性，推动了高效、稳定电解水制氢技术的进展。该工作不仅展示了激光合成技术在材料创新上的巨大潜力，其结合理论模拟揭示的材料形成机制与催化活性位点，也为未来理性设计高性能催化材料奠定了坚实基础。
论文详情：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02358-9
本文由虚谷纳物供稿
