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» 高熵氧化物由至少五種陽離子組成，高熵效應使材料結構穩定，並具有優異的磁性、機械、導熱和電化學性能。
» 高熵氧化物可作為鋰離子和鈉離子電池的電極材料，它的結構穩定性高、循環壽命長，能有效解決傳統電極材料的問題。
» 高熵氧化物因具有高穩定性、良好機械強度和可調節的熱膨脹性等特性，因此能夠製成固態電解質、觸媒、隔熱材料等，極具應用潛力。

國立清華大學材料科學工程學系教授葉均蔚在2004 年提出「高熵合金（highentropy alloys）」的概念，於是具有多功能性與可客製化的高熵材料便成為最具影響力的材料之一。我們可以從熱力學公式ΔG ₘ ᵢ ₓ＝ ΔH ₘ ᵢ ₓ － TΔS ₘ ᵢ ₓ（ΔG ₘ ᵢ ₓ為混和自由能的變化量；ΔH ₘ ᵢ ₓ 為混合焓的變化量；ΔS ₘ ᵢ ₓ 為混合熵的變化量）得知當混合熵愈大，混合自由能愈低，而材料就能夠以更穩定的狀態存在。高熵材料的概念從合金為起點，目前已擴展到氧化物、碳化物、矽化物、硼化物、氮化物、硫化物等領域，且應用廣泛。本文主要會聚焦於高熵氧化物的結構、性質與應用。

高熵氧化物的結構

其中，高熵氧化物（high entropy oxide, HEO）在不同元素的組合下，可以穩定形成各種不同的晶體結構，並具有優異的材料特性，例如磁性、機械、導熱性和電化學性能等。由於高熵材料由多種元素所組成，因此具有較大的組態熵（configuration entropy）。根據定義，高熵氧化物的組態熵需大於1.5 R（R為氣體常數＝8.314 J/mol·K），由至少五種陽離子（帶正電的離子，通常為金屬離子）占據在結構中的同一種位置上，並與陰離子（帶負電的離子，即氧離子）結合。以層狀高熵金屬氧化物NaCu₀.₁Ni₀.₃Fe₀.₂Mn₀.₂Ti₀.₂O₂ 為例（圖一），可觀察到銅（Cu）、鎳（Ni）、鐵（Fe）、錳（Mn）、鈦（Ti）五種元素均勻分布在結構中過渡金屬離子層的位置上。

2015 年，羅斯特（Christina Rost）等人組成的團隊首次提出高熵氧化物一詞，他們使用固溶體燒結法合成具有岩鹽（rock-salt）結構的Mg₀.₂Co₀.₂Ni₀.₂Cu₀.₂Zn₀.₂O單相固溶體。此研究證明多元等莫耳比氧化物系統（即前述的Mg₀.₂Co₀.₂Ni₀.₂Cu₀.₂Zn₀.₂O）可以透過高組態熵來穩定材料結構，並具備優異的電化學特性。而陳浩（Hao Chen，音譯）團隊則在2018 年提出Mg₀.₂Co₀.₂Ni₀.₂Cu₀.₂Zn₀.₂O，可作為一氧化碳（CO）氧化的催化劑，並可穩定鉑（Pt）單原子的分散。高熵氧化物的研究自此從岩鹽結構擴展到鈣鈦礦（perovskite）結構，例如[Sr(Zr₀.₂Sn₀.₂Ti₀.₂Hf₀.₂A₀.₂)]O₃（A＝ Mn, Nb）；螢石結構，例如[(Hf₀.₂₅Zr₀.₂₅Ce₀.₂₅) (B₀.₁₂₅C₀.₁₂₅)]（B, C＝ Y、Yb、Ca、Gd）；尖晶石（spinel）結構，例如(Ni₀.₂Co₀.₂Mn₀.₂Fe₀.₂Cr₀.₂)₃O₄，甚至到層狀（layered）結構等面向。

高熵氧化物的應用－電池

高熵氧化物在電化學材料的應用領域中皆有優異的表現，近年來在儲能電池，例如在鋰離子與鈉離子電池的應用上也有許多研究與進展。以鋰離子電池為例，鋰離子電池主要由電極（正極與負極）、隔離膜及電解質所組成（圖二），並以正極作為鋰離子的供應來源。充電時，鋰離子從正極釋出，於電解質中擴散並嵌入負極材料中；放電時，鋰離子從負極釋出，再回到正極中。因此，一般優良且具實用性的鋰離子電池，它的電極材料須能容納許多鋰離子（高電容量），並且需要可承受離子重複嵌入與脫出的穩定結構。

在鋰離子與鈉離子電池中，過渡金屬氧化物在理論上的電容量較高且容易合成，因此為常見的正極材料。然而，因離子本身帶有電荷，彼此之間靠近時會產生電荷排斥力，而且離子在嵌入與釋出的過程中所帶來的斥力變化，還會改變材料內部結構的空間，使材料產生相變化，導致結構穩定性較差。這種結構不穩定的性質使得電池的循環使用壽命不佳，是目前在正極材料上迫切需要解決的問題。

2022 年，筆者研究團隊成功合成出一種新的高熵正極材料――O3型層狀高熵過渡金屬氧化物NaCu₀.₁Ni₀.₃Fe₀.₂Mn₀.₂Ti₀.₂O₂，可作為鈉離子電池的正極材料。該電極結合了銅、鎳、鐵、錳、鈦等元素各自的優勢，例如鎳可提供高電容量；鐵可提供高導電性；銅可提升水氧穩定性；錳與鈦具有低成本等特質。我們將這些元素以相似比例混合、形成NaCu₀.₁Ni₀.₃Fe₀.₂Mn₀.₂Ti₀.₂O₂

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