日前，《自然·材料》（Nature Materials）在線刊發(fā)華中科技大學(xué)材料學(xué)院周華民劉洋團(tuán)隊(duì)研究成果：“高熵高儲能鐵電聚合物”（Enhanced energy storage in high-entropy ferroelectric polymers）。我校材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位及第一通訊單位，周華民教授和劉洋教授為論文共同通訊作者，該團(tuán)隊(duì)成員博士后李晨祎博士、南方科技大學(xué)李波副教授為共同第一作者，合作者還包括材料學(xué)院張海波教授，賓夕法尼亞州立大學(xué)王慶教授和陳龍慶教授及上海交通大學(xué)楊天南副教授等。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02211-z

高熵合金在2004年被首次提出，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)高熵合金具有傳統(tǒng)合金所無法比擬的優(yōu)異性能。高熵材料目前是材料科學(xué)中一個快速發(fā)展的新興領(lǐng)域。遵循設(shè)計(jì)高熵合金的科學(xué)思想，高熵概念隨后在陶瓷等無機(jī)非金屬材料中得到推廣，成功開發(fā)出高熵陶瓷這一全新材料。相比于高熵合金和高熵陶瓷材料，高熵聚合物材料的研究仍處于初級階段，高熵合金發(fā)現(xiàn)者葉均蔚教授就在其論文中提到“到目前為止，高熵聚合物鮮有報道”。尤為重要的是，到目前為止還沒有像合金和陶瓷一樣給出高熵聚合物的定義和判據(jù)。

鑒于此，團(tuán)隊(duì)提出采用聚合物化學(xué)鍵種類來刻畫其熵值?Sconf的定義:RΣciln[ci]，其中n是化學(xué)鍵的種類個數(shù)，ci是某一化學(xué)鍵的摩爾分?jǐn)?shù)。類比于合金和陶瓷，當(dāng)?S

conf ≥1.5R時，聚合物進(jìn)入高熵態(tài)。根據(jù)這一定義，聚合物高熵態(tài)需要多種化學(xué)鍵及適當(dāng)配比才可能誘發(fā)，引入單一化學(xué)鍵如C=C或C=O雙鍵即使分?jǐn)?shù)比例較高（比如10 mol%），熵值仍低于1.5R，無法實(shí)現(xiàn)高熵態(tài)（圖1a）。基于此，團(tuán)隊(duì)采用低劑量質(zhì)子束輻照誘導(dǎo)弛豫鐵電聚合物產(chǎn)生多種化學(xué)反應(yīng)，一次性引入多種化學(xué)鍵，成功制備高熵聚合物（圖1b）。

圖1聚合物熵與化學(xué)鍵含量的關(guān)系圖。a，熵與單一化學(xué)鍵；b，熵與多種化學(xué)健。

高熵聚合物具有獨(dú)特的混亂狀態(tài)，能夠降低局域極化翻轉(zhuǎn)勢壘抑制鐵電損耗，并通過引入局域強(qiáng)極性化學(xué)鍵提高介電常數(shù)和極化強(qiáng)度，協(xié)同提升儲能性能。例如，傳統(tǒng)弛豫鐵電態(tài)雖然具有高介電常數(shù)，但往往具有較低極化強(qiáng)度、較高鐵電損耗以及極化過早飽和，限制了其在介電儲能電容器領(lǐng)域的應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算、相場模擬結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)與性能表征，首次證實(shí)了高熵超順電相的存在（圖2a）。區(qū)別于弛豫鐵電態(tài)，高熵態(tài)能提升介電常數(shù)（圖2b），增強(qiáng)極化強(qiáng)度（圖2c），降低鐵電損耗（圖2d）以及推遲極化過早飽和（圖2c），進(jìn)而顯著提升介電儲能性能。比如，在低電場強(qiáng)度100 MV/m下放電能量密度為3.2 J/cm3，充放電效率為87.2 %，接近商用雙向拉伸聚丙烯BOPP在高電場500 MV/m-600 MV/m下的儲能性能（圖2e和2f）。這為解決弛豫鐵電聚合物介電儲能應(yīng)用的瓶頸難題提供了新的思路。

圖2 高熵聚合物的介電儲能性能。a，溫度-輻照劑量相圖；b，介電常數(shù)；c，電滯回線；d，鐵電損耗；e，放電能量密度對比； f，充放電效率對比。

研究還發(fā)現(xiàn)高熵策略提升聚合物性能具有一定普適性，不僅大幅提升了介電儲能性能，還顯著改善了低電場下電卡制冷效應(yīng)。這為后續(xù)設(shè)計(jì)高性能電活性聚合物材料與器件開辟了新的方向。

本文來自：華中科技大學(xué)。