高熵碳化物的制备与应用研究进展

Research Progress on the Preparation and Applications of High-Entropy Carbides

摘要: 高熵碳化物(High-Entropy Carbides, HECs)作为新兴多主元陶瓷材料，凭借其独特的高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应及“鸡尾酒”效应，在高温稳定性、力学性能及功能特性方面展现出显著优势。本文基于热力学稳定性判据与固溶体形成机制，系统综述了高熵碳化物的研究进展：首先阐释其热力学基础与四大核心效应，分析岩盐型等晶体结构特征及按金属元素组合的分类体系；重点评述六类制备工艺的原理、优势与局限性，指出纳米化、低能耗及成分均匀性为优化方向；进而探讨其在热障涂层、超级电容器及航天高温部件等领域的应用成效；最后还展望其在锌离子电池正极材料中的潜力，并指出当前面临制备工艺复杂、稳定性不足等挑战，为未来高熵碳化物的设计与应用提供理论参考。

Abstract: High-entropy carbides (HECs), as an emerging class of multi-principal-element ceramic materials, exhibit remarkable advantages in high-temperature stability, mechanical properties, and functional characteristics due to their unique high-entropy effect, lattice distortion effect, sluggish diffusion effect, and “cocktail” effect. Based on thermodynamic stability criteria and solid-solution formation mechanisms, this paper systematically reviews recent advances in HECs: 1) The thermodynamic fundamentals and four core effects are elucidated, with an analysis of rock-salt-type crystal structures and classification systems based on transition-metal combinations. 2) Six major preparation methods are critically evaluated in terms of their principles, advantages, and limitations, highlighting optimization strategies such as nano crystallization, low-energy synthesis, and compositional homogeneity. 3) Their application performance is discussed in thermal barrier coatings, supercapacitors, and high-temperature aerospace components. 4) Finally, their potential as cathode materials for zinc-ion batteries is prospected, while current challenges—including complex synthesis routes and insufficient stability—are identified, providing theoretical insights for the future design and application of HECs.

1. 引言

近年来，高熵碳化物(High-Entropy Carbides, HECs)凭借其独特的性能优势，已成为材料科学领域的研究热点，展现出广阔的应用前景。作为新兴的多主元陶瓷材料体系，高熵碳化物的研究仍处于快速发展阶段，蕴含着巨大的发展潜力与创新空间。尽管国内外学者在其基础理论研究和应用探索方面已取得显著成果，但该领域仍存在诸多亟待突破的关键科学问题与技术挑战[1]。特别是在制备工艺方面，当前高熵碳化物的合成技术普遍面临流程复杂、成本偏高以及材料稳定性不足等问题。针对这些挑战，亟需开展系统深入的研究工作，以优化制备工艺、提升材料综合性能，并探索其在各领域的创新应用[2]。

本文聚焦高熵碳化物材料的工艺优化与应用拓展，重点探讨其在新能源等产业中的应用潜力，同时为该材料的未来发展方向提供前瞻性思考。

2. 高熵化合物概述

2.1. 高熵材料的概念

在热力学系统中，熵(Entropy)是表征系统混乱度的状态函数，系统混乱度越高，其熵值越大[3]。“高熵”概念最初源于合金体系，目前学术界普遍采纳以下两种定义：从定性角度，高熵合金是指由五种或五种以上金属元素以等摩尔比或近似等摩尔比固溶形成的合金；从定量角度，凡构型熵变ΔS_config ≥ 1.61 R为高熵合金。凡构型熵变(ΔS_config) ≥ 1.61 R (R为气体常数)的合金可定义为高熵合金[4]。

随着研究的深入，“高熵”理念已延伸至功能陶瓷及其他非金属材料领域。广义上，高熵材料是指同一亚晶格上由五种及以上阳离子随机占据形成的材料。此处阳离子不仅限于金属元素，非金属元素如硅(Si)、磷(P)等亦可在特定亚晶格中以阳离子形式存在。以高熵碳化物(Mo_0.2W_0.2V_0.2Cr_0.2Nb_0.2)C为例，其结构中阴离子(C)通常占据固定位置，而多种金属阳离子随机占据传统二元碳化物MC中M⁴⁺的位点。这种多组元协同作用不仅赋予材料高构型熵，还通过元素的电子协同效应，使其具备优异的力学性能和高温稳定性。

2.2. 高熵材料的性质

得益于其独特的化学无序结构，高熵合金展现出显著区别于传统材料的特性；高熵陶瓷在结构特征上与高熵合金具有相似性。高熵材料的特性可归纳为四大核心效应[5]。

1) 高熵效应(热力学)

对于多组分合金体系，混合吉布斯自由能(ΔG_mix)可由公式(1)表示：

$\Delta {\text{G}}_{\text{mix}}={\text{ΔH}}_{\text{mix}}-{\text{TΔS}}_{\text{mix}}(其中：{\text{ ΔS}}_{\text{mix}}\approx {\text{ΔS}}_{\text{config}})$ (1)

高熵碳化物具有显著的正值构型熵变(ΔS_mix)，通过降低体系吉布斯自由能(ΔG_mix)，促进反应正向进行，从而有利于单相固溶体的形成。Rost等[6]的研究表明，在相同的单相形成温度T下，移除体系中任意一种组分或使组分偏离等摩尔比，均会导致单相产物难以获得或单相形成温度升高。因此，高熵效应可有效降低单相固溶体合成温度，增强高熵固溶体的热力学稳定性及元素间的相容性。

2) 迟滞扩散效应(动力学)

研究发现，高熵材料中原子的自扩散系数很低，原子在不同区域呈现非均匀分布，易导致成分偏析。例如，高熵合金中的原子倾向于通过连续填充空位机制进行扩散。在微观尺度(数十纳米以下)可观察到析出相，即使在高温条件下也难以发生再结晶与晶粒粗化现象[4]。由于高熵材料晶格势能波动剧烈，高势能空位难以填充，而低势能空位则形成势阱，原子填充后难以脱出，从而导致整体扩散速率和相变速率大幅降低[7]。

3) 晶格畸变效应(结构)

从元素组成角度，高熵材料由五种或更多元素(金属或非金属)以等摩尔比构成。目前研究表明，非金属元素在特定亚晶格中也可提供阳离子。多种原子在晶体点阵中随机分布，且不同元素间必然存在原子尺寸和键合能差异，导致每个原子周围的局部环境和占位状态各异，在材料内部产生显著内应力，极易引入晶格畸变与各类缺陷(如位错、空位、间隙原子等)。晶格畸变是调控材料性能(力学、热学、电学等)的关键手段。然而，过度的晶格畸变可能导致晶体结构失稳，甚至诱发材料向非晶相转变。

4) “鸡尾酒”效应(性能)

不同元素具有各自独特的性质，元素间的组合与协同耦合作用使高熵材料在性能上呈现出“1 + 1 > 2”的叠加效应乃至协同效应，即“鸡尾酒”效应[8]。例如，在NbTiMoVHf(Zr)Si系难熔高熵合金中，改变元素种类或调节硅(Si)含量均可改善其抗热震性能，但同时改变两者则可能适得其反。这种效应的根源在于组元成分、微观结构及电子结构等多因素的复杂交互作用。

研究表明，对于含Hf或含Zr的NbTiMoVHf(Zr)Si系合金，当硅含量约为10%时，样品展现出良好的抗拉强度。若硅含量过高，则会析出更多金属间化合物相，且新相间结合力较弱，反而加剧材料的脆性断裂[9]。此外，过量的硅会降低材料致密度，增加组织内部孔隙率，导致有效承载面积减小，从而使抗拉强度显著下降[10]。

与传统材料相比，上述四大核心效应共同赋予了高熵材料在力学性能、耐腐蚀性、电学性能等方面优异的可调控性与多样性，为新材料设计提供了全新思路。

2.3. 高熵碳化物的结构与分类

2.3.1. 高熵碳化物的结构

高熵碳化物可呈现岩盐型(NaCl型)、面心立方(FCC)、体心立方(BCC)等多种晶体结构[11]。以典型的岩盐型结构为例，金属阳离子与碳阴离子(C)分别占据晶格中的阳离子位与阴离子位，形成紧密堆积的三维晶格，如(TiZrNbMoW)C体系。此类结构赋予材料高硬度和良好的稳定性。晶格畸变是高熵碳化物的重要结构特征之一，源于多种不同原子尺寸的金属阳离子在晶格中的随机混合，导致原子间键长、键角相较于传统二元碳化物发生显著改变，并产生局部应力场[12]。例如，在(HfTaZrNbTi)C体系中，多元金属组分的原子尺寸差异可诱发显著的晶格畸变效应，具体表现为：

1) 力学强化：原子尺寸失配产生的局部非均匀应力场阻碍位错滑移，增强材料抗变形能力；

2) 电子调控：晶格畸变改变原子间键合状态，影响电子云分布，进而优化材料的电化学性能。

2.3.2. 高熵碳化物的主要种类

根据所含金属元素的种类和比例，高熵碳化物可进行如下分类[13]。常用金属元素包括Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等。按金属元素组合主要分为：

1) 单一主族元素高熵碳化物：如(TiZrHfNbTa)C、(TiZrNbTaW)C等，主要由IVB族(Ti, Zr, Hf)和VB族(V, Nb, Ta)元素组成。

2) 多主族元素高熵碳化物：如(TiVNbMoTa)C、(TiZrNbMoW)C等，包含IVB族、VB族和VIB族(Cr, Mo, W)元素。

3) 含稀土元素高熵碳化物：如(TiZrHfNbY)C、(TiZrNbTaCe)C等，在传统过渡金属元素基础上引入稀土元素(Y，Ce等)。

3. 高熵碳化物的制备工艺研究

高熵碳化物的制备工艺研究涵盖块体、粉体及薄膜涂层等多个方向。其中，高熵碳化物粉体的制备方法主要有：固相反应法(SRS)、机械合金化法(MA)、溶胶–凝胶法(Sol-gel)、前驱体热解法、共沉淀法、熔盐法(MSS)、高温自蔓延法(SHS)等[14]。

3.1. 固相反应法

固相反应法主要包括热还原法与直接合成法。

热还原法：利用还原性粉末(如碳粉、石墨或镁粉)在高温下还原金属氧化物，生成碳化物中间体，进一步在高温下固溶形成单相高熵碳化物粉末。该过程通常分两步进行；直接合成法：直接使用金属碳化物粉末作为原料进行反应合成。此方法对原料粉体的粒径和纯度要求极高。虽然流程相对直接，但易引入氧杂质，且产物粒径分布较宽，难以获得纳米级均匀粉体[15]。

Li等[16]将金属氧化物(TiO₂, ZrO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, MoO₃)、石墨及金属镁粉在1350℃、氩气(Ar)气氛下通过镁热还原反应，成功制备出粒径范围为5~60 μm的(ZrTiTaNbMo)C高熵碳化物粉末，合成工艺如图1(a)所示。褚衍辉等[17]采用碳热还原法，将球磨后的金属前驱体粉末置于石墨坩埚中，在真空环境下加热至特定温度并保温，成功制备出粒径均匀的珊瑚状(Zr_0.25Ta_0.25Nb_0.25Ti_0.25)C高熵碳化物粉末。利用碳热还原法合成高熵碳氮化物粉体的流程如图1(b)所示[18]，合成粉体的主要原料为过渡金属氧化物和石墨，该合成工艺较为简单、反应可控且所得粉体较为纯净，适用于大规模生产。此外，Liu等[19]利用微波辅助碳热还原法合成了(Ti_0.2W_0.2Mo_0.2V_0.2Nb_0.2)(C_0.7N_0.3)(HECN)高熵碳氮化物陶瓷，相较于传统热还原法，该方法显著提高了升温速率并缩短了保温时间。

3.2. 高温自蔓延法

高温自蔓延法(SHS)的基本原理是：通过外部热源(如电火花)引燃原料粉末的局部区域，触发剧烈的放热化学反应并形成自持传播的燃烧波。反应释放的热量可持续维持燃烧波的推进，直至整个反应体系完成。此方法具有反应速率快、能耗低的优势。Li等[20]采用高温自蔓延法结合等离子火花烧结(SPS)的两步法，合成了(TaTiNbZr)C、(TaTiNbZrMo)C、(TaTiNbZrHf)C及(TaTiNbZrW)C等多种HEC，并研究了其在1200℃下的氧化行为。Sedegov等[21]以金属单质粉末与高纯石墨粉为原料，采用类似的高温自蔓延法结合SPS技术合成了(TiHfNbTaMo)C和(TiZrHfNbTa)C两种HEC陶瓷。研究对比发现，相较于SHS + SPS法制备的样品，采用热压法(HP)结合机械合金化法(MA)制备的样品具有更高的硬度。

Figure 1. (a) Schematic diagram of the synthesis process via magnesiothermic reduction [16]; (b) Flowchart for the preparation of high-entropy carbonitride (HECN) powders by carbothermal reduction-nitridation method [18]

图1. (a) 镁热还原法的合成工艺示意图[16]；(b) 碳热还原氮化法制备HECN粉体流程[18]

3.3. 液相反应法

液相反应法制备HEC粉体主要包括前驱体高温裂解法和溶胶-凝胶法两条技术路线。

前驱体高温裂解法：以金属卤化物(如氯化物)和有机化合物为初始原料，通过分子聚合反应结合高温裂解过程制备目标产物。Yang等[22]选用金属氯化物为前驱体，乙二醇为溶剂，柠檬酸同时作为碳源和螯合剂。首先在80℃下进行半小时醇解反应，随后在110℃真空环境中干燥一小时，最后在氩气(Ar)气氛保护的管式炉中于800℃进行热解，成功在相对较低温度下合成了HEC粉体。与固相反应法相比，液相反应法所得样品元素分布更均匀、晶粒更细小、断裂强度更高。典型的制备过程流程如图2所示。

Figure 2. Schematic diagram of the preparation process for high-entropy carbide and carbonitride ceramic powders [22]

图2. 高熵碳化物和碳氮化物陶瓷粉末的制备过程示意图[22]

溶胶–凝胶法：采用高反应活性的前驱体材料(如金属醇盐或氯化物)，在液相环境中经历水解–缩聚反应形成三维网络凝胶结构，经脱水干燥和高温煅烧后可获得纳米尺度的HEC粉体。Zhang等[23]以金属氯化物为前驱体，葡萄糖为碳源，无水乙醇为溶剂。混合物经60℃以上水浴反应3小时后干燥得到干凝胶，随后在管式炉(惰性Ar气氛)或马弗炉中于1300℃烧结。冷却后将产物研磨，得到多孔(FeCoCrMnNi)C高熵碳化物粉体。

3.4. 机械合金化法

该方法以金属碳化物或金属单质与碳源(如石墨)为初始原料，利用高能球磨机进行长时间机械球磨，通过固相扩散反应获得高纯度的HEC粉体。其优势在于设备要求简单、操作简便、能耗较低。由于制备过程无需高温反应，因此可避免晶粒异常长大问题。主要不足是所需球磨时间较长。Tagir等[24]选择CrNbMoWV高熵合金粉末与碳粉为原料，在行星球磨机中以200~400 r/min的转速球磨20小时后成功获得单相HEC粉体。Razumov等[25]采用机械合金化法结合等离子火花烧结(SPS)技术，在Ar气氛保护下使用行星球磨机(200~400 r/min)合成TiZrHfTaNb高熵合金前驱体粉末，随后在2000℃下烧结获得具有优异抗氧化性能的(TiTaNb)_xHf_yZr_z高熵碳化物。

3.5. 熔盐合成法

该技术以低熔点无机盐(如氯化物)为反应介质，通过提高传质效率和降低反应活化能，显著改善合成动力学条件。其核心优势在于可大幅降低反应温度，并实现对产物粒径的精确调控，因此特别适用于纳米级HEC粉体的制备。Ma等[26]选用氯化钙(CaCl₂)为熔盐介质，金属氧化物与碳粉为前驱体，在1500℃条件下成功制备出具有纳米尺度粒径和优异微波吸收性能的(TaNbTiV)C高熵碳化物粉末。与传统高温法相比，Ning等[27]在1573 K (1300℃)下，以金属单质粉末与碳粉为前驱体，氯化钾(KCl)为熔盐介质，成功合成了(Ta_0.25Nb_0.25Ti_0.25V_0.25)C高熵碳化物纳米粉体，显著降低了反应温度。

不同高熵碳化物粉体制备方法的特点总结于表1。

Table 1. Analysis of the characteristics of different preparation methods for high-entropy carbide powders

表1. 不同高熵碳化物粉体制备方法的特点分析

制备工艺		优势	不足
固相 反应法	热还原法	原料易得，设备相对简单	易受污染，产物粒径较大且分布宽，难获纳米级均匀粉体
	直接合成法	直接使用金属碳化物粉末反应	原料粒径和纯度要求极高，易引入氧杂质；产物粒径分布宽
高温自蔓延法		反应速率快，能耗低	反应剧烈、放热集中，可能导致产物成分不均匀或相分离
液相 反应法	前驱体热解法	元素分布均匀，晶粒细小，产物力学性能优异	部分前驱体(如卤化物)成本高昂或具有毒性
	溶胶–凝胶法	可实现分子尺度均匀分散，易于掺杂微量元素，所需煅烧温度相对较低	需经历煅烧、洗涤等步骤以去除溶剂或模板剂，工艺流程较长
机械合金化法		工艺简单，成本可控，无需高温	制备高纯度、单相粉体需较长球磨时间；球磨介质可能引入杂质影响粉体纯度
熔盐合成法		反应条件温和，显著降低反应活化能和温度，易于控制产物粒径(尤其纳米级)	需考虑熔盐分离、产物洗涤等后续处理问题

4. 高熵碳化物应用领域

高熵碳化物由于其独特的高熵效应具有一些关键特性，在相应的应用领域具有广阔的应用前景，如图3所示。

Figure 3. Key properties and applications of high-entropy carbides

图3. 高熵碳化物的关键特性与应用

4.1. 热障涂层

在热障涂层(TBCs)和环境障涂层(EBCs)领域，优异的抗氧化性能是评估涂层性能的核心指标之一，因为这些涂层通常在极端高温环境下服役。

Wang等[28]研究了掺杂20 vol% SiC的(HfZrTaNb)C (HZINC-SiC)复合材料在1300℃~1500℃下的氧化行为。研究表明，相较于纯HZINC陶瓷，HZINC-SiC复合材料在高温下展现出更优异的抗氧化性能。氧化过程中，SiC相优先与氧气反应生成SiO₂，SiO₂向外迁移扩散并与碳化物中的Zr、Hf元素进一步反应，在材料表面原位形成致密的(Hf, Zr)SiO₄保护层。这一动态过程显著提升了复合材料的高温抗氧化能力。

对于未掺杂的高熵碳化物，Wang等[29]以(HfTaZrTiNb)C为研究对象，揭示了其在1400℃~1600℃下的氧化机制。研究表明，高熵化改性显著提升了碳化物材料的抗氧化性能，优于传统单组元碳化物。高温氧化过程中，Ti组分优先扩散至表面形成TiO₂初始氧化层。随着氧化进行，TiO₂与ZrO₂和HfO₂发生固溶反应，最终生成(Hf, Zr)TiO₄复合氧化物。值得注意的是，原位形成的(Hf, Zr)TiO₄保护层结构致密，能有效阻隔氧气向内渗透，从而大幅提升材料的抗氧化性能。

研究进一步指出，相较传统单组元碳化物，高熵碳化物不仅抗氧化性能更优异，其氧化机制也更具可调控性。通过合理的成分设计和精确调控碳空位浓度，可进一步优化材料的高温相稳定性和抗氧化性能，为其在高温工程部件上的应用奠定重要理论基础。

4.2. 超级电容器

随着便携式电子设备的发展，超级电容器正朝着微型化和超微型化方向演进[28]-[36]。微型超级电容器(MSCs)兼具传统超级电容器快速充放电能力和长循环寿命的优势，在光伏、风力发电及微机电系统(MEMS)等领域备受关注。

张先丽等[37]采用无水乙醇溶解等摩尔的Fe、Co、Cr、Mn、Ni五种过渡金属氯化物，通过调控葡萄糖碳源添加量(3 g，4 g，5 g分别对应HEMC-1，HEMC-2，HEMC-3前驱体)实现了多孔结构的精准调控。研究表明，增加碳源量促进材料形成三维网络多孔结构，前驱体比表面积呈现梯度增长(HEMC-1 < HEMC-2 < HEMC-3)。电化学测试表明，在相同电流密度下，三组材料的比容量随碳源量增加而提高。其中，HEMC-3样品在经历1000次充放电循环后容量保持率高达81%，显著优于HEMC-1 (58%)和HEMC-2 (49%)。HEMC-3优化的多孔结构(具有最高比表面积)使其能量密度达到15.08 Wh kg⁻¹，较同类高熵电极材料实现了显著提升。实验证实，碳源调控可有效增强材料的电化学稳定性，而三维网络多孔结构与高比表面积的协同作用是HEMC-3性能优异的关键。

4.3. 高温结构部件

高熵碳化物材料在高温结构部件领域具有重要应用潜力，例如航空发动机(涡轮发动机、燃气轮机)中的热端部件，以及航天领域的导向叶片、燃烧室衬里、火箭推进器和航天飞行器的高温结构件等[38]。在航天领域，中国火星探测器“天问一号”即采用了高熵陶瓷材料。高熵材料在此类应用中主要充当耐高温的热结构件，如热屏蔽和热防护系统(TPS)，以确保探测器在极端热环境下的可靠运行[39]。

这些材料能够在极高温度下保持优异的性能稳定性，有效抵抗热膨胀和氧化侵蚀，从而保障关键设备的可靠性和长寿命[40]。

高熵材料因其独特的多主元设计和优异的综合性能(如出色的机械强度、抗氧化能力和热稳定性)，在极端环境应用中展现出显著优势。值得注意的是，高熵碳化物凭借其更致密的晶体结构和更强的原子间键合力，通常表现出更为优异的力学性能。通过合理的组分调控，各类高熵材料均能在特定应用场景中发挥其独特优势。

5. 问题分析与讨论

高熵碳化物(HECs)凭借其独特的高熵效应及相关核心效应(晶格畸变、迟滞扩散、“鸡尾酒”效应)，在抗烧蚀性、高温稳定性及功能特性方面展现出显著优势，应用前景广阔。然而，该领域的研究与应用仍面临若干关键挑战：

1) 制备工艺复杂性与规模化瓶颈：现有主流合成方法(如液相法、熔盐法)虽能获得成分均匀、纳米级的粉体，但普遍存在工艺流程长、部分前驱体成本高或具毒性、能耗较高(尤其高温固相法)等问题，限制了材料的规模化生产和实际应用。开发高效、低耗、环境友好且易于放大的制备技术是亟待突破的方向。

2) 材料稳定性与构效关系认知不足：极端环境(如超高温、强氧化、辐照)下HECs的长期相稳定性、微观结构演变规律及性能退化机制仍需深入探究。特别是高熵效应与晶格畸变等对材料热力学、动力学行为的内在影响机制尚未完全明晰，制约了材料的理性设计与性能预测。

3) 应用导向的性能优化空间：面向特定应用(如热障涂层、电极材料)，需进一步优化HECs的综合性能。例如，在热障涂层应用中，需平衡高熵带来的抗氧化优势与可能存在的热膨胀系数匹配、抗热震性问题；在功能应用中，需精确调控电子结构以优化其电化学活性或催化性能。

4) 聚焦能源存储领域：水系锌离子电池(AZIBs)因其成本低、安全性高和环境友好等突出优点，成为大规模储能系统的潜在候选者。然而，现有正极材料(如锰基、钒基化合物、普鲁士蓝类似物等)普遍面临电导率低、结构稳定性差(尤其在Zn²⁺反复嵌入/脱出过程中)、离子扩散动力学缓慢等瓶颈问题。已经有研究者利用金属碳化物对正极材料做出改性和利用，Meng P团队[41]为了弥补VS₂作为正极材料的缺陷(导电性差、稳定性低)与锌负极枝晶问题，将VS₂与高导电性的2D过渡金属碳化物(MXene)复合利用MXene的高导电性和层状结构改善VS₂的导电性与结构稳定性，扩大层间距以促进锌离子传输。在锰系正极中，MnO₂作为ZIBs常用正极材料，存在导电性差、结构不稳定的缺陷，导致电极动力学性能不佳，而纳米TiC具有优异的导电性和机械稳定性，是理想的电极支撑材料，Ma T等[42]成功制备出间隔型TiC纳米管阵列(s-TiC NTAs)作为MnO₂的支撑材料，提供更多活性负载位点和顺畅的电子/离子传输路径，有效降低电荷转移电阻，提升了电极整体动力学性能。此外，Liu W等[43]通过构建三维中空球形结构(H-V₂C/C)，对传统的V₂C正极材料做出改性，利用中空空间有效抑制了V₂C纳米片的团聚，增加了活性位点暴露，同时为离子传输提供了更多通道。

金属碳化物的应用对水系锌离子电池性能可以做出重大的改善，而高熵碳化物的独特性质也具有强大的潜力为突破瓶颈提供了新的可能：

1) 可调谐的电子结构：多元阳离子的随机分布及“鸡尾酒”效应可能赋予HECs优于传统二元/三元过渡金属碳化物的电子导电性，有利于提升电极反应动力学。

2) 优异的机械与结构稳定性：高熵效应和晶格畸变有助于稳定晶体结构，可能有效抑制充放电过程中的体积变化和结构坍塌，提升循环寿命。

3) 丰富的活性位点与协同效应：多种过渡金属元素的共存可能提供多样化的氧化还原反应活性位点，并通过元素间的协同作用优化其与Zn²⁺的相互作用，提升比容量和倍率性能。

4) 潜在的界面稳定性：高熵碳化物表面复杂的化学环境可能有助于形成更稳定的电极/电解质界面，减少副反应。

因此，深入探索高熵碳化物作为水系锌离子电池新型高性能正极材料的科学基础与应用潜力，具有重要的研究价值，是解决当前AZIBs正极材料瓶颈问题的创新方向之一。然而，其作为电极材料的电荷存储机制(赝电容或插层)、Zn²⁺在复杂高熵晶格中的扩散行为、以及在真实电池环境中的长循环稳定性等关键科学问题尚待系统研究。

6. 结论与展望

本文系统综述了高熵碳化物(HECs)的研究进展，HECs的独特性能源于高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应及“鸡尾酒”效应，共同赋予其优异的稳定性与多功能性；HECs以岩盐型结构为主，晶格畸变显著，可按金属元素组合分为单一主族型、多主族型及含稀土型；制备方法中固相法、液相法、熔盐法等各具优势，液相法与熔盐法在纳米粉体制备中潜力突出，机械合金化法则以低温低耗见长；HECs在热障涂层(抗氧化性)、超级电容器(高比容量)及高温部件(航天应用)中表现优异，并有望解决水系锌离子电池正极材料的关键瓶颈。

未来研究应聚焦以下几个方向：

1) 制备优化：开发高效、低成本的规模化合成技术(如低温熔盐法、增材制造)，解决液相法前驱体毒性及工艺复杂性问题。

2) 机理深化：结合原位表征与计算模拟，揭示极端条件下HECs的结构演化规律及四大效应的耦合机制。

3) 性能设计：通过组分调控(如空位工程)和微观结构设计(纳米复合)，实现力学、电化学等性能的协同优化。

4) 新兴应用：拓展HECs在锌离子电池(界面稳定性)、催化及核能领域的应用，推动其从实验室走向产业化。

总之，高熵碳化物作为材料设计新范式的重要代表，其研究正处于从基础探索走向应用拓展的关键阶段。通过多学科交叉融合与产学研深度合作，持续深化基础研究、突破制备瓶颈、拓展应用边界，高熵碳化物有望在航空航天、新能源、极端环境装备等国家重大需求领域发挥革命性作用，为材料科学和技术进步注入强劲动力。

基金项目

河南省研究生教育改革与质量提升工程项目(YJS2025AL42)；河南工业大学研究生优质课程项目(HAUTYJS2022KC02)；河南工业大学专创融合特色课程项目(2024ZCRH-10)。

NOTES

^*通讯作者。