Nature Nanotechnology：氫取代的石墨炔輔助的超快火花合成亞穩態納米材料

一、導讀

亞穩態納米材料是一類不同于其本身平衡相和體相的具有獨特物理和化學性質的材料，這為開發可再生能源，電動汽車和材料制造等下一代技術提供了機會。例如，單原子亞穩材料具有豐富的不飽和活性位和強的金屬-載體相互作用，可實現電催化和熱催化的化學升級。亞穩態高熵合金是一種研究電催化和機械過程的理想的合金原型。然而，亞穩態納米材料的合成需要極端的非平衡合成條件，具有極大的挑戰性。利用傳統電阻式加熱爐的高溫策略進行合成受到了廣泛的關注，但通常僅限于單組分亞穩態材料。由于爐退火溫度 (~ 1500 K)和加熱速率(僅10-20K min^-1)的限制，五種或更多元素的高熵材料的實現非常具有挑戰性。近年來，先進的高溫合成技術為合成各種亞穩納米材料開辟了一條創造非平衡條件和避免相分離的途徑。例如，在快速淬火速率的液體中激光燒蝕用于合成亞穩態單原子合金；利用超快加熱速度的高溫沖擊合成技術設計合成了高熵合金和氧化物；利用一種溫度高于2000 K的氣溶膠液滴介導的方法來合成高熵合金。然而，超高溫(> 3000 K)和超快加熱速率(>10⁵K s^-1) 對材料合成和制造越來越重要，但是仍然難以實現。因此，在毫秒內實現超高溫的簡便合成是開發亞穩態納米材料庫的迫切要求。

二、成果掠影

近期，斯坦福大學崔屹教授利用取代氫的石墨炔氣凝膠(HGDY)開發了超快高溫平臺。HGDY是二維sp/sp²共雜化碳網絡，為亞穩態納米材料提供了高密度位點。作者設計了氫取代石墨炔輔助的超快火花合成(GAUSS)實現了40ms內溫度達到1640 K。通過將鋁納米顆粒和氧化劑結合起來，GAUSS僅在8 ms內就達到了3286 K的顯著溫度，加熱速率大于105K s^-1。利用GAUSS平臺成功合成了一個包括單原子、高熵合金和高熵氧化物的亞穩態納米材料庫。電化學測量和密度泛函理論表明，用GAUSS平臺合成的單原子催化劑促進了全固態鋰-硫電池的鋰-硫轉換動力學。

相關研究工作以“Hydrogen-substituted graphdiyne-assisted ultrafast sparking synthesis of metastable nanomaterials”為題發表在國際頂級期刊Nature Nanotechnology上。

三、核心創新點

1.作者開發了氫取代石墨炔輔助的超快火花合成(GAUSS)平臺制備亞穩態納米材料。GAUSS平臺可在8 ms內達到3286 K的超高反應溫度，反應速率超過105K s^-1。通過控制取代氫的石墨炔氣凝膠結構的組成和化學性質，可以從1640 K到3286 K調節反應溫度。

2.作者通過成功合成單原子、高熵合金和高熵氧化物，展示了GAUSS平臺的多功能性，為合成各種亞穩態納米材料提供了一種強大的方法。通過測試和理論計算表明，GAUSS合成的單原子增強了全固態鋰硫電池的氧化還原反應動力學。

四、數據概覽

圖1? 亞穩納米材料的氫取代GAUSS示意圖。? 2022 The Author(s)

圖2 GAUSS過程的溫度演化及機理。? 2022 The Author(s)

圖3 通過GAUSS合成的單原子、高熵合金、高熵氧化物等一系列亞穩態納米材料的表征。? 2022 The Author(s)

圖4 超快單原子合成用于全固態鋰-硫電池。? 2022 The Author(s)

五、成果啟示

本文開發了一個可以在8 ms內達到3286 K高溫的亞穩態納米材料合成平臺GAUSS，該平臺在溫度高，升溫速度快(~105K s^-1)的條件下，可以實現高熵和單原子相，同時還防止相分離、粗化和成熟。除此之外，GAUSS平臺成功合成了一組亞穩態納米材料(單原子、高熵合金納米顆粒和高熵氧化物納米顆粒)。平臺的簡單性，結合控制反應時間、溫度、成分和氣氛的能力，為合成廣泛的亞穩態納米材料提供了一種有效的策略。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01272-4

本文由張熙熙供稿。

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