虽然多种材料混合通常会带来结构不稳定，但在材料科学中存在一种被称为“高熵”的特殊现象：当成分复杂度提高到一定程度时，反而能够增强结构稳定性。KAIST的研究团队正是利用这一原理，实现了更快速的质子传输和更高效的电化学反应，开发出一项显著提升氢气制备效率的新技术。这一成果有望降低氢气生产成本，推动清洁能源转型。

新型氧电极加速缓慢反应

由KAIST机械工程系李康泽教授领衔的团队，设计出一种全新的氧电极材料，通过最大化熵的设计策略，显著改善了电极的反应动力学和功率输出性能。氧电极是电化学电池中的关键组件，水分解制氢过程中，氧气析出反应（OER）主要在这一电极上发生，其效率直接影响整体制氢性能。

相关研究成果已发表在期刊《Advanced Energy Materials》上。

绿色氢气是指通过水电解等方式制备、几乎不产生碳排放的氢气，被视为未来清洁能源体系的重要支柱。其中，质子陶瓷电化学电池（PCEC）因能够高效利用电能分解水，并通过质子传导产生氢气而备受关注。然而，这类电池的整体性能长期受限于氧电极处反应动力学缓慢的问题。

高熵策略用于电极材料设计

为突破这一瓶颈，研究团队采用高熵设计思路，在同一材料中引入多种金属元素，以增加构型无序度。通常，多元素混合会削弱结构稳定性，但在特定成分组合下，熵的增加反而可以稳定单相结构。

基于这一理念，团队构建了一种高熵双钙钛矿氧电极材料，在电极结构的 A 位点同时掺入七种不同金属元素：Pr、La、Na、Nd、Ca、Ba、Sr。该材料既保留了钙钛矿晶体框架，又具备双钙钛矿结构的特征，并通过高熵设计进一步强化其整体性能。

多种金属元素的协同作用改善了电极内部的电荷传输行为和与氧相关的反应过程，使电化学反应在发电模式和制氢模式下都显著加快。

模拟与实验的双重验证

计算模拟方面，密度泛函理论（DFT）结果显示，相比传统材料，新型高熵电极中形成氧空位（即反应活性位点）所需的能量降低了60%以上。这意味着活性位点更容易生成，数量也更为丰富，有利于提升反应速率。

实验测试方面，飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析表明，该材料中的质子传输速度提高了七倍以上，直接证明了电极内部与氢生成相关过程的效率大幅提升。

在实际电池性能上，采用新型高熵氧电极的电池在650℃下实现了1.77 W cm⁻²的功率密度，约为传统系统的2.6倍。在相同条件下，其氢气产量相关电流密度达到4.42 A cm⁻²，制氢性能提升约三倍。

耐久性方面，在含蒸汽环境下连续运行500小时后，性能衰减仅为0.76%，显示出优异的稳定性和长期运行能力。

李康泽教授指出，本研究证明了可以利用熵这一热力学概念来调控电极的反应活性，从而显著提升绿色氢气的生产效率，有望加速氢能经济的商业化进程。