首爾國立大學/中科院過程工程研究所：納米合金的普適性制備及其電催化應用

納米合金各組分金屬間強烈的電子效應可修飾反應物分子在其表面的吸附，進而影響金屬納米合金催化劑的本質催化屬性。更多地，對貴金屬組分（如Pt、Pd）進行合金化也可有效地降低催化劑中貴金屬活性組分的含量，降低催化劑的制備成本。因此，金屬納米合金的設計與調控受到了研究者們廣泛的關注。互溶金屬組分構成的納米合金可以通過濕化學方法制備與調控。然而，針對不互溶金屬或物理化學性能有顯著差異的多種金屬構成的合金（高熵納米合金）的制備仍然面臨巨大挑戰，且需要突破濕化學法的局限，發展和應用新的制備方式和技術。

最近，韓國首爾國立大學(SNU)的Mansoo Choi教授團隊和中國科學院過程工程研究所(IPE,CAS)的楊軍教授團隊合作發展了一種具有較好普適性的制備合金納米顆粒的“Sparking Mashup”技術，并制備了包括互溶金屬，不互溶金屬和若干高熵納米合金在內的平均粒徑為5 nm的55種不同的合金納米顆粒。該制備方式突破了濕化學方法在不互溶金屬和高熵納米合金合成中的局限性，成功地制備出穩定的小尺寸納米合金，且通過改變和優化實驗條件，也能夠實現納米合金在組成和尺寸方面的調控。

圖1. 所制備納米合金的高分辨掃面透射電子顯微鏡照片和元素分層圖像分析。互溶金屬 FePd納米合金（A）；不互溶金屬IrCu，?PtAu，AuW，CuFe，IrAg納米合金（B-F）；三元AuPdPt納米合金（G）；四元AuAgCuPd納米合金（H）和六元 NiCoMoAgAuCr納米合金（I）

由于所制備納米合金超小的顆粒尺寸、不同組分之間的電子效應及顆粒清潔的表面，致使這種方法制備的Pt基或Pd基納米合金在甲醇和乙醇的電催化氧化中表現出了優異的催化性能。

圖2. 所制備Pt基納米顆粒在甲醇氧化反應中的電催化性能。?Pt基金屬納米顆粒的循環伏安掃描曲線（A）；甲醇氧化極化曲線（B）；用于穩定性測試的計時電流曲線（C）；與一些文獻中報道的Pt催化劑的性能對比（D）

相關研究成果以“Unconventional Alloys Confined in Nanoparticles: Building Blocks for New Matter”為題發表于Matter雜志(DOI: 10.1016/j.matt.2020.07.027)。在首爾國立大學工作的馮繼成博士和中國科學院過程工程研究所陳東副研究員為論文的共同第一作者。

總之，該研究以電火花法為基礎，發展出一種普適性的合金納米顆粒制備與調控技術，所制備出的未經優化的合金納米顆粒在電催化領域展現出優異的催化性能，這除了得益于其較小的顆粒尺寸和清潔的顆粒表面外，合金不同組分間電子耦合效應也是致使其催化性能提升的關鍵。這項研究的下一個目標是對含鉑或鈀的納米合金進行進一步優化，以提高其在直接醇類燃料電池中的性能。該納米合金的制備方式有望為燃料電池和其它可再生能源領域創造低成本、高活性和高穩定性的催化劑。

本文由作者團隊供稿。