第一作者：劉震
通訊作者：潘帥軍,Rui Guo, Frank Caruso
通訊單位：湖南大學/墨爾本大學
論文DOI：10.1038/s41557-025-01894-W
湖南大學化學化工學院潘帥軍教授團隊聯(lián)合墨爾本大學Frank Caruso院士通過簡單的蠟燭火焰合成法，在常壓條件下成功制備出組分可調(diào)的高熵金屬材料，湖南大學博士劉震為該文章的第一作者。
通過燃燒碳氫燃料制備高熵金屬納米材料（HMNs），從而構(gòu)建出具有可調(diào)結(jié)構(gòu)和尺寸的HMNs庫。該方法具有成分靈活性，且實驗裝置操作簡便，使得能夠精確設計出高性能且活性增強的電催化劑，展現(xiàn)了其在多個領域廣泛應用的潛力。
高熵含金屬納米材料（HMNs）因其多金屬協(xié)同效應，在催化、生物納米工程及能量轉(zhuǎn)換等領域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。然而，由于需協(xié)調(diào)不同元素的理化性質(zhì)，傳統(tǒng)合金化過程常依賴高溫高壓、設備復雜，且難以擴展至超10種元素系統(tǒng)。研究者提出一種常溫常壓下的碳氫燃料火焰合成策略，通過燃燒摻雜金屬前驅(qū)體的烴類燃料（如石蠟），利用火焰從1800 K至環(huán)境溫度的自然梯度，實現(xiàn)多種金屬的均勻合金化。該方法操作簡單，無需專用設備，通過棉芯毛細作用實現(xiàn)前驅(qū)體遷移與熱解反應，顯著區(qū)別于傳統(tǒng)靜態(tài)熱解。調(diào)控金屬種類、濃度及有機摻雜劑，可合成最多含25種金屬的HMNs，粒徑可調(diào)，分散于30-50 nm的洋蔥狀碳骨架中。所制材料在H2O2等催化反應中表現(xiàn)優(yōu)異，分子動力學模擬表明溫度梯度在形成穩(wěn)定合金結(jié)構(gòu)中起關鍵作用，為構(gòu)建高性能、多功能納米催化劑提供了新路徑。
圖1 | 可調(diào)組分的高熵含金屬納米材料合成與表征。
圖2 |從單原子到納米顆粒的轉(zhuǎn)變
圖3 |納米蠟燭灰負載高熵單原子
圖4 |火焰合成高熵合金納米庫
圖5 |金屬-蠟燭灰聚集動力學模擬
本研究通過調(diào)控金屬的組成和濃度，以及引入有機摻雜劑，構(gòu)建了一個包含多種高熵金屬納米材料（HMNs）的材料庫，包括金屬單原子（SAs）、合金氧化物納米顆粒（NPs）和雜原子摻雜金屬-碳煙納米顆粒。這些HMNs最多可包含多達25種不同的金屬元素。通過該方法合成的HMNs尺寸可調(diào)（從單原子到金屬納米顆粒），且均勻分散在30–50 nm尺度的納米級“洋蔥狀”碳煙結(jié)構(gòu)上，具有可調(diào)的潤濕性（從液滴釘扎到液滴滾動）。該方法不僅在成分調(diào)控上具有高度靈活性，而且實驗操作簡便，有助于精確設計具備高活性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的電催化劑，適用于如過氧化氫（H2O2）生產(chǎn)等工業(yè)過程。反應分子動力學模擬表明，火焰中的天然溫度梯度對于合金納米顆粒的形成至關重要。在該過程中，分解后的金屬前驅(qū)體與多環(huán)芳烴（PAHs）先發(fā)生反應結(jié)合，隨后PAHs發(fā)生堆疊與碳煙聚集，最終金屬合金在碳煙納米結(jié)構(gòu)內(nèi)融合成簇，形成納米顆粒。該火焰合成技術具有諸多優(yōu)勢：無需外部能量即可實現(xiàn)高溫；可在開放空氣環(huán)境中操作；材料組成可靈活定制；可適用于多種前驅(qū)體；并具備良好的科學與工業(yè)應用前景。因此，該方法為多組分材料設計提供了一個通用平臺，極大擴展了高熵金屬納米材料的合成工具箱，并拓展了其在多種應用領域的潛力，如自清潔、氧/二氧化碳電還原反應、以及有機物的光熱轉(zhuǎn)化等。
