Science Advances:高熵合金納米晶的可控和可預測合成


一、【導讀】

? 近年來,由至少五種元素組成的高熵合金(HEA)納米晶體具有較大的化學空間和可調性,被認為是一種很有前途的催化劑。HEA納米晶體在電催化、光催化和熱催化等方面的潛在應用得到了廣泛的報道。多主元的特性使得混合熵高,有利于固溶相的形成,而不是金屬間相或相分離混合物的形成。與傳統的單金屬和雙金屬納米晶體相比,HEA納米晶體可以通過不同元素的隨機分布提供獨特的表面。因此,它們具有大量不同類型的活性位點和獨特的局部電子結構,極大地擴展了具有理想活性、選擇性和耐久性的催化劑的巨大設計空間。

? 最近,各種合成策略,包括濕化學合成、熱退火處理和激光輔助方法,已被證明可以合成具有不同功能的各種HEA納米晶體。然而,目前的方法通常涉及一種反復試驗的方法來達到合成方案的優化。因此,開發一種可預測和可控的方法合成不同結晶結構的HEA納米晶體是至關重要的。

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二、【成果掠影】

? 近日,臺灣清華大學Tung-Han Yang教授團隊以鉑族金屬組成的五元HEA納米晶為例,證明了在混合的五金屬前驅體溶液滴加下,可以通過定量地知道金屬前驅體的還原動力學和納米晶中混合的熵,從而預測其空間組成的結構。相關的研究成果以“Toward controllable and predictable synthesis of high-entropy alloy nanocrystals”為題發表在Science Advances上。

三、【核心創新點】

? ?1、作者通過動力學分析表明,每種前驅體達到穩定狀態的時間對確定具有均勻合金和核殼特征的HEA納米晶的結構起著關鍵作用。

? ?2、三種不同類型的HEA納米晶體包括典型的固溶體PdPtRhIrRu納米晶體、樹枝狀固溶體PdPtRhIrRu納米晶體和核殼Pd@PdPtRhIrRu納米晶體以可控和可預測的方式獲得。與商業 Pt/C 和相分離的PdPtRhIrRu納米晶體相比,樹枝狀固溶體PdPtRhIrRu納米晶體對析氫反應和氫還原反應表現出顯著的增強活性和耐久性。

四、【數據概覽】

1 一鍋法合成相分離的多金屬納米晶。?2023 The Author(s)

2 固溶體HEA納米晶體的逐滴合成。?2023 The Author(s)

3 樹枝狀固溶體HEA納米晶的逐滴合成。?2023 The Author(s)

4 通過非原位 XAS 分析表征樹枝狀固溶體 PdPtRhIrRu HEA 納米晶體的配位結構和電子結構。?2023 The Author(s)

5 Pd@HEA核-殼納米晶體的逐滴合成。?2023 The Author(s)

6 示意圖說明如何操縱逐滴合成以形成具有不同空間組成和表面原子結構的固溶體 HEA 納米晶體。?2023 The Author(s)

7 HER 和 HOR 的電催化活性和耐久性。?2023 The Author(s)

8 計算的HEA 表面氫吸附自由能 (Δ?GH* )。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

? ?綜上所述,這項工作定量分析了具有不同空間組成和表面結構的固溶體 PdPtRhIrRu HEA 納米晶體形成過程中的還原動力學和混合熵。在定量數據的基礎上,作者證明了逐滴合成可以在合成過程中的相同和不同時期控制每種金屬前體數量的穩態。值得注意的是,這項定量研究將導致 HEA 納米晶體設計的范式轉變,從而擺脫反復試驗法。并且,在項工作中獲得的機理見解可以擴展到其他系統,例如由常用的催化活性 Au、Ag、Cu、Fe、Co、Ni、Mo 或 W 作為混合元素制成的 HEA 納米晶體。

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原文詳情:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf9931

本文由K . L撰稿。

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