胡良兵“焦热快烧”：界面工程提高多元纳米合金稳定性

【研究背景】

近年来，多元合金纳米颗粒因其独特的高熵特性而被广泛地应用于催化、能源、环境等领域，表现出良好的催化活性与稳定性，是未来的理想催化剂之一。美国马里兰大学胡良兵教授课题组在高熵合金纳米领域开展了一系列工作，利用焦热快烧合成了各种类型的高熵合金催化剂，并向产业化方面推进（https://www.hight-tech.com/）。

多元合金（Multi-element alloy, MEA）颗粒具有良好的相稳定性，但当其负载在碳载体上作为催化剂，长时间催化反应后，常引起颗粒团聚等界面不稳定性问题，从而降低了催化活性与稳定性。由于碳具有导电性好、比表面积大、成本低等优势，碳载体在许多实际应用中仍具有广阔的前景。因此，提高碳载体负载的MEA纳米颗粒的稳定性至关重要。

【工作介绍】

近日，胡良兵教授课题组等人开发了一种普适的界面工程策略以合成MEA-Oxide-Carbon催化剂，显著提高了碳负载的MEA纳米颗粒的热稳定性和电化学稳定性，为构建高效稳定的MEA催化剂提供一种新思路。相关研究工作以“Interface Engineering Between Multi-elemental Alloy Nanoparticles and A Carbon Support Toward Stable Catalysts”为题发表在期刊Advanced Materials上。

【内容表述】

图1 MEA-Carbon与MEA-Oxide-Carbon催化剂的比较

DFT计算表明，与MEA直接负载在碳载体上相比，引入氧化物作为中间体形成的MEA-Oxide-Carbon多级结构催化剂具有更好的稳定性。如图1所示，多元合金PdRuRh直接负载在碳上的稳定性是低于负载在含有氧化物Cr₂O₃的碳上（更负的结合能）。

图2 MEA-Oxide-Carbon催化剂的合成与结构表征

采用一种普适、快速的高温方法来合成MEA-Oxide-Carbon催化剂。具体地，首先将氧化物前驱体溶液负载到碳上，并在室温下进行干燥。随后，将MEA前驱体溶液同样地负载到碳上。干燥后，在充满氩气的手套箱中对碳载体施加瞬态电流，使材料在0.05秒内加热至1800 K。快速的高温加热确保了MEA-Oxide杂化纳米颗粒均匀地分散在碳上。以合成PtPdIrRuRh-TiO2-Carbon为例，PtPdIrRuRh-TiO₂异质纳米颗粒均匀分散在碳纳米纤维载体上，其中多元合金PtPdIrRuRh和氧化物TiO₂纳米颗粒的平均粒径分别为~7 nm和~40 nm。

图3 MEA-Oxide-Carbon催化剂的热稳定性

以合成的PtPdIrRuRh-TiO₂-Carbon为模型体系，通过原位加热该催化剂并观察催化剂的形态分布及元素组成，以评估其热稳定性。PtPdIrRuRh-TiO₂-Carbon样品在1023 K温度下仍保持初始形态（即在298K时），PtPdIrRuRh纳米颗粒附着在TiO₂上且各元素均匀混合并未发生相分离，显示出优异的热稳定性。

图4 MEA-Oxide-Carbon催化剂的化学稳定性

由于合成方法的普适性，作者合成了另一种PdRuRh-Cr₂O₃-Carbon催化剂，并用于Li-O₂电池以评估其化学稳定性。结果显示，使用PdRuRh-Cr₂O₃-Carbon的循环性能优于没有使用氧化物载体的PdRuRh-Carbon，显示出更高的稳定性。

Tangyuan Li, et al, Interface Engineering Between Multi-Elemental Alloy Nanoparticles and a Carbon Support Toward Stable Catalysts, Advanced Materials. 2021. https://doi.org/10.1002/adma.202106436

通讯作者简介： 

胡良兵教授 美国马里兰大学材料科学与工程系杰出教授。主要研究领域有纳米材料和纳米结构，电化学储能，高温合成及天然材料。迄今发表SCI论文400余篇，被引用69000余次，H因子135。

胡良兵教授从2015年来，报道了一系列用焦耳热快速烧结的新材料，包括3D打印高温炉子（2016,10,5272-5279,ACS Nano），高熵纳米合金（2018,Science cover），固态电池（2020，368，521-526，Science cover），高熵纳米氧化物（2021,4,62-70,Nature Catalysis cover），高熵金属。

第一作者介绍

李堂源博士：美国马里兰大学材料科学与工程系博士后。主要研究功能氧化物陶瓷，薄膜，纳米颗粒的合成及其在能源与化工的应用。以第一/共一作者在Nat. Cata., Nat. Nanotech., Adv. Mater.等杂志发表多篇论文。

课题组介绍

http://www.bingnano.com/

http://www.cmi.umd.edu/