高熵合金：破解储氢与抗腐蚀难题的“未来材料”

      坎托合金（Cantor alloy）在氢气环境中的表现因环境压力而异。通常情况下，该合金在标准压力下能抵抗具有腐蚀性的氢气，但在高压下会与氢气反应形成氢化物。（插图：Konstantin Glazyrin，DESY）

多元素高熵合金在高温高压下与氢气反应性的分析。

提及未来任何可能的可持续能源，氢燃料电池必定名列其中。氢与氧反应生成水会释放大量热能，这些热能可用于多种用途，包括为车辆提供动力和发电。但大规模生产氢燃料电池的一个挑战是氢气本身的储存和分配，因为氢气需要在电池内部被吸收，并且它极易腐蚀多种材料。

一支由波鸿鲁尔大学（RUB）和德国电子同步加速器研究所（DESY）的研究人员领导的国际科学家团队，利用包括PETRA III在内的多个世界领先的实验设施，结合最先进的理论计算，研究了一类名为高熵合金的材料——这是一种由多种金属混合而成的耐腐蚀且坚固的固体——以及它们在加压的强氢气环境中的表现。通过X射线和中子研究，该团队得以观察这种相对较新的材料类别在常压氢气中的复杂行为。他们的研究结果发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。

在RUB的Kirill Yusenko领导下，该团队研究了一种名为高熵坎托合金的化合物。大多数金属合金由最多四种元素金属和微量的其他元素组成，与此不同，高熵合金由几乎等量的五种或更多不同金属元素组成。坎托合金于2004年由材料科学家Brian Cantor领导的英国研究小组首次合成，其特征在于钴、铬、铁、镍和锰等金属元素具有相等的摩尔比。由此产生的固体具有卓越的耐腐蚀性和机械性能，这使其能够直接与现代工业和消费品中使用的许多传统合金竞争。

通过在德国PETRA III和法国ESRF进行的X射线散射研究，以及在日本J-PARC进行的中子散射研究，研究团队发现，当坎托合金暴露在氢气中并处于极端高温高压下时，其合金结构中会结合氢化物——即离解的氢原子。然而，同一项研究也表明，在工业和消费品典型的压力和温度下，坎托合金并不吸收氢，从而展现出强大的抗腐蚀能力。

“这篇论文为关于坎托合金抗氢吸收的问题补充了重要的拼图，而氢吸收是氢腐蚀的主要因素之一，”PETRA III P02.2极端条件光束线科学家、该论文第一作者Konstantin Glazyrin表示。“我们希望我们新颖的方法论以及研究结果能够推动材料研究，并激发氢能经济领域的实际应用。”

然而，氢化物的存在可能为这个故事增添了有趣的一笔。“高熵合金及其氢化物仍然是一个谜，”Kirill Yusenko说。“一方面，其中一些可能能够实现足够的吸收率，从而可用作燃料电池介质。在坎托合金的案例中，我们观察到耐腐蚀性和高氢吸收率与燃料电池的要求并不相容，因为燃料电池需要储存大量的氢气。但另一方面，坎托合金所具有的特性为其在更广泛背景下的储氢提供了所需的抗性，特别是在各种复杂和苛刻环境（如可回收火箭级和汽车发动机）中的储存和输送。”

下一步，该团队将继续探索由不同材料组成的其他高熵系统，以研究它们在压力和氢气存在条件下的行为差异。“高熵系统正受到越来越多的关注，”论文的另一位合著者、RUB的Fritz Körmann表示。“它们不仅对基础科学很重要，其多样化的应用也有助于塑造一个技术先进且可持续的未来。”

原始出版物：

Glazyrin et al., "Synthesis of high-entropy hydride from the cantor alloy (fcc–CoCrFeNiMn) at extreme conditions", Nature Communications 17 (2622), 2026.

DOI:10.1038/s41467-026-70483-3

翻译人：沈亚皓

来源：https://fuelcellsworks.com/2026/04/16/h2/mercedes-benz-expands-genh2-truck-trials-with-new-logistics-partner