高熵合金(HEAs)在结构材料、能量转换和催化等一系列应用中比传统合金具有更大的潜力。然而，HEA组成与其局部结构/元素构型之间的关系尚不清楚，特别是在贵金属基HEA纳米材料中，这阻碍了纳米HEAs在能量转换和催化应用中的设计和开发。
马里兰大学胡良兵教授、橡树岭国家实验室池妙芳博士、匹兹堡大学王国峰教授（共同通讯作者）合作报道，对由RhPtPdFeCo和RuPtPdFeCo组成的HEAs模型进行了精确的原子级结构和元素排列，揭示了它们的局部特征。值得注意的是，通过改变HEA中的一个组成元素(Rh到Ru)，发现元素排列从完全随机混合到局部单元素有序特征的巨大变化。此外，证明了RuPtPdFeCo中的局部有序可以通过改变Ru浓度进一步控制，允许在多组分系统中在局部Ru团簇和不同异质结构之间切换。相关研究成果以“Tailoring Local Chemical Ordering via Elemental Tuning in High-Entropy Alloys”为题在Journal of the American Chemical Society上发表。
研究人员首先使用热冲击方法合成了RhPtPdFeCo NPs（纳米沉析软化技术及材料），该方法先前已被证明用于制造纳米级HEA。元素前驱盐以等摩尔比应用于多组分体系中，以达到Rh原子比为~20%的20RhPtPdFeCo。在PtPdFeCo中引入Rh可以得到混合良好的固溶体结构。相反，Ru的使用导致团簇级Ru聚集体的局域化特征，分布在均匀混合的Pt、Pd、Fe和Co固溶体基体中（图1）。高分辨率STEM-EDS图谱显示，Rh、Pt、Pd、Fe和Co均匀分布在20RhPtPdFeCo NPs中，表明NPs中所有元素都成功混合。20RhPtPdFeCo在原子水平上具有紧密排列的结构，其晶面间距为2.23Å，与面心立方(FCC)结构的{111}面匹配良好。对20RuPtPdFeCo HEA NPs的元素分析表明，Ru、Pt、Pd、Fe和Co在NPs内均匀分布，没有明显的元素偏析。快速傅里叶变换(FFT)分析表明，20RuPtPdFeCo的晶体结构也是FCC，测得面间距为2.23Å，对应FCC{111}面。因此，在该五元体系中以Ru取代Rh时，其组分的长程均匀性和单相FCC晶体结构保持不变（图2）。这些元素在样品的颗粒水平上混合得很好。此外，原子排列保留了FCC结构以及Ru的团簇和其余元素的高均匀性。HAADF-STEM结果的FFT分析没有观察到二次相，证实了分散在PtPdFeCo固溶体中的Ru团簇不会改变FCC晶体结构。相反，增加Ru含量(50RuPtPdFeCo)导致相分离异质结构，这与10%和20%原子含量的Ru样品不同。为了更好地理解这种多组分异质结构，研究人员利用STEM成像技术对50RuPtPdFeCo样品的界面区域进行了原子结构分析，并总结并说明了多金属RuPtPdFeCo的结构演变随Ru含量的变化（图3）。此外，比较了局部偏析为M的PtPdFeCoM(M=Ru或Rh)合金的计算体系能量，发现偏析后的20RuPtPdFeCo比混合后的20RuPtPdFeCo体系稳定。相比之下，预测分离后的20RhPtPdFeCo结构比其混合相的稳定性低0.005eV/原子。在1500K下，当x=0.1、0.2和0.5时，Rux(PtPdFeCo)1-x体系的反应1的自由能变化分别为0.015、0.028和0.044eV/原子（图4）。这些正能量变化表明，RuPtPdFeCo体系不倾向于混合良好的固溶体结构。因此，在这个多组分体系中会存在潜在的相偏析现象。随着Ru浓度的增加，相偏析的趋势也更加明显，这与实验观察结果很吻合。总之，本研究提供了一种实用的方法来操纵贵金属基HEA系统中的局部原子结构和元素排列，这可以为在实际应用中深入了解贵金属基HEA纳米材料的机械功能提供深入的知识。（文章来源于化学与材料科学，编辑时有改动）
