多元素纳米颗粒：开启能源催化新纪元

news2025/6/5 16:44:43

在能源转型的浪潮中，纳米催化剂正成为推动能源技术突破的关键力量。多元素纳米颗粒（Polyelemental Nanoparticles）凭借其独特的元素协同效应，展现出在能源催化领域的巨大潜力。然而，合成这些复杂体系的纳米颗粒面临着诸多挑战，如何精准调控其成分与形貌，成为当前研究的焦点。复旦大学陈鹏程研究员团队在《ACS Applied Energy Materials》上发表的最新成果，为这一领域带来了新的曙光。

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研究亮点

  • 创新合成策略：复旦大学团队系统综述了多元素纳米颗粒的合成策略，涵盖“自上而下”的物理制备和“自下而上”的化学合成技术，解析了热力学调控与动力学干预在多元素精准复合中的关键作用。

  • 结构与性能优化：深入探讨了无序固溶体、有序金属间化合物及多相异质结三类典型结构在催化反应中的性能优化机制，揭示了元素空间分布对活性位点吸附能与反应路径的调控规律。

  • 理论与实验结合：通过对比不同催化体系（如水分解、燃料电池）的实验与理论结果，提出了多元素协同设计原则，为开发高效、低成本能源催化剂提供了理论依据与技术路线。

图文解析

自上而下合成方法

  • 扫描探针光刻（SPBCL）：基于纳米反应器限制原理，SPBCL通过探针沉积含金属前驱体的聚合物液滴，在热退火过程中实现多元素共限域成核与结构演化。Mirkin团队利用该技术构建了五元（AuAgCuCoNi）纳米颗粒库，其界面能平衡机制由DFT计算验证。XRD显示各层合金的晶格参数差异，表明晶格畸变诱导的电子效应可优化催化位点吸附能。

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  • 物理气相沉积（PVD）：通过多源共溅射结合掩模技术，Ludwig团队制备了非贵金属ORR催化剂组合库。SEM显示颗粒尺寸分布窄，XPS证实表面富集低价态金属，增强氧吸附活性。溅射技术通过调控基底温度实现原子级均匀沉积，显著提升质量传输效率。

  • 激光烧蚀与球磨法：脉冲激光轰击多层金属膜可快速合成CoCrFeMnNi高熵合金，TEM显示单晶结构且无配体包覆。球磨法结合高温退火制备Co₃MnNiCuZnOₓ高熵氧化物，EDS面扫显示元素分布均匀，但球磨导致粒径分散宽，需后续尺寸筛选。

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自下而上合成方法

  • 胶体合成与流动反应器一锅法：通过控制前驱体还原动力学，HAADF-STEM显示Pt壳层厚度为1.2 nm，XANES证实Pt电子态受Pd核压缩应变调控，ORR质量活性提升3倍。流动反应器在低温下合成15元亚2 nm合金，XRD宽化峰表明高无序度，而XPS显示表面富集Pt/Ru，协同提升HER活性。

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  • 纳米反应器与熔盐合成：树枝状分子模板法制备的亚纳米簇通过EXAFS证实配位数降低，增强CO₂RR选择性。熔盐法合成III-V族量子点，PL光谱显示GaAs量子点荧光量子产率达45%，优于有机相合成，归因于高温消除晶格缺陷。

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  • 快速热冲击与液态金属辅助合成：焦耳热冲击法在2000 K/55 ms条件下合成八元HEA，TEM-EDS证实元素均匀分布，SAED显示单晶衍射斑点。液态金属（Ga基质）降低混合焓，实现W-Ta等高熔点元素合金化，XRD显示非晶-晶界复合结构，增强酸性OER稳定性。

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电催化应用机制解析

  • 无序高熵结构：PtFeCoNiCuZn HEA通过晶格畸变诱导压缩应变，XPS显示Pt 4f结合能正移，降低OH*吸附能，ORR质量活性显著提升。FeCoNiMoCrOOH高熵氢氧化物的OER过电位低，XAS证实Fe³⁺-O-Mo⁶⁺电荷转移通道，抑制金属溶解。

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  • 有序金属间化合物：PtCu₃金属间化合物的有序L1₂结构通过HAADF-STEM验证，表面压缩应变使d带中心下移，ORR质量活性高。介孔PtPdFeCoNi的BET比表面积和孔径优化传质，质量活性较Pt/C提升6倍。

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  • 多相异质结构：Ru-CrOₓ异质结的界面电荷转移通过EELS证实，削弱Ru位点H吸附，碱性HOR质量活性高。Pd@Pt二十面体的Pt壳层压缩应变降低OH*吸附能，ORR半波电位正移，稳定性超10⁴循环。

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总结与展望

复旦大学陈鹏程研究员团队的这项研究系统总结了多元素纳米颗粒在合成方法与能源催化应用中的突破性进展。通过开发扫描探针光刻、焦耳热冲击等创新技术，实现了元素组成、晶格有序性和界面结构的精准调控，成功构建了包含多达15种元素的高熵纳米颗粒库。这些纳米颗粒在氢/氧演化反应及二氧化碳还原等关键能源转化体系中展现出超越传统单金属催化剂的性能。该研究为新型纳米催化材料设计提供了多维度的调控范式，对推动高效能源转换技术和碳中和目标具有重要价值。

未来研究需聚焦四大方向：

  1. 发展四维扫描透射电镜与同步辐射原位表征技术，解析纳米颗粒表面缺陷、元素偏析动态等原子级结构信息。

  2. 开发液态金属辅助合成等新策略，突破s/f区元素在金属态纳米颗粒中的稳定性瓶颈。

  3. 结合高通量制备与机器学习构建“材料基因库”，加速多元催化剂理性设计。

  4. 建立多尺度构效关系模型，揭示异质界面电子转移对多步串联催化的调控机制。

这些突破将推动纳米催化从经验探索向理论指导的范式转变，为开发下一代高效电解水器件和碳中和技术提供革命性材料基础。

论文信息

  • 期刊：ACS Applied Energy Materials

  • 标题：Synthesis and Electrocatalytic Applications of Polyelemental Nanoparticles

  • 作者：复旦大学陈鹏程研究员等

  • 发表时间：2025年5月19日

在探索高效能源催化技术的道路上，深圳中科精研科技有限公司也一直致力于创新。推出的超快高温焦耳加热装置，正是基于类似的超快速升温技术，能够在极短时间内实现材料的高效合成与转化。这种装置不仅操作简便，而且能够精确控制温度和时间，为科研人员提供了一个理想的实验平台，助力更多像多元素纳米颗粒这样的高效催化剂的研发。

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