ACS Nano观点：一种简单、高效和大规模合成高熵合金纳米材料技术成为可能
【文章信息】
西北有色金属研究院赵盘巢副研究员、操齐高教授、昆明贵金属研究所陈家林教授、陕西科技大学郝晓东副教授、南昌大学易伟教授和西安交通大学单智伟教授等ACS Nano观点：一种简单、高效和大规模合成高熵合金纳米材料技术成为可能
第一作者：赵盘巢
通讯作者：赵盘巢*，操齐高*，易伟*， 郝晓东*，单智伟*，陈家林*
单位：西北有色金属研究院，昆明贵金属研究所，陕西科技大学，南昌大学，西安交通大学
【研究背景】
今年来，由五种或五种以上元素以等摩尔比或近摩尔比组成的高熵合金纳米粒子（High-entropy-alloy nanoparticles, HEA-NPs）作为一种全新设计理念材料，由于组份的多样性、表面原子结构的复杂性、高混合熵和纳米尺度效应，有望实现高活性、高选择性、高稳定性和长使用寿命的新型多元催化剂，备受广大科研人员关注。
然而，对于精确控制目标成份、物相结构和粒径大小，以及简单、高效和大规模制备依然面临巨大挑战。因为HEA-NPs的形成通常需要极快速的升降温速率和超高的元素混合温度，这使HEA-NPs精确控制和大产量合成极其困难，一般缓慢的反应过程以及充分的反应时间控制，才有利于HEA-NPs目标成份、物相结构和粒径大小的精确控制。因此，目前开发一种简单、高效和大规模制备技术，以及具有充分时间控制反应过程制备目标成分、物相结构和粒径大小的HEA-NPs具有重要意义。
【文章简介】
近日，西北有色金属研究院赵盘巢副研究员携手昆明贵金属研究所陈家林教授、陕西科技大学郝晓东副教授、南昌大学易伟教授和西安交通大学单智伟教授，在美国化学学会纳米材料期刊ACS Nano上发表题为“Facile and General Method to Synthesize Pt-Based High-Entropy-Alloy Nanoparticles”的文章。
该文章开发了一种简单、高效和大规模制备高熵合金纳米材料的技术，即喷雾干燥结合热分解还原方法，在氢气气氛下，以温和的升降温速率（3℃/min）和低温条件下还原分解（300℃），合成了一系列包含贵金属、过渡金属和难熔金属二元至十元的铂基高熵合金纳米材料，并负载于多种不同的碳材料上（石墨烯、碳纳米管、碳纤维等），对铂基高熵合金纳米材料的组份、粒径尺寸、物相结构精确控制进行了研究，以及揭示了铂元自催化性和纳米粒子的生长机理，最后通过催化甲醇氧化反应证明了铂基高熵合金纳米粒子性能的优异性。为进一步高熵合金纳米材料成份设计、材料筛选和数据挖掘提供了保障。
图1. 铂基高熵合金纳米粒子负载于不同碳材料表面
【本文要点】
要点一：温和条件下合成石墨烯载2-10元铂基高熵合金纳米粒子
采用喷雾干燥结合热分解还原方法，缓慢升降温速率（3℃/min），300℃热分解还原，保温30min，合成石墨烯载2-10元铂基高熵合金纳米粒子，包含贵金属、过渡金属和难熔金属（Pt, Co, Cu, Rh, Fe, Ir, Ru, Ni, Pd和 W）。利用HAADF-STEM 、XRD、STEM-EDS等分析手段证明了合成的铂基纳米粒子具有单相面心立方结构，各个元素均匀分布于纳米粒子中，且纳米粒子均匀在载体表面。
图2. 铂基高熵合金纳米粒子微观结构表征。
要点二：铂元素自催化作用促进高熵合金纳米粒子形成
通过对铂基合金和不含铂体系合金（FeNiCo/FeNiCoCu）纳米材料研究，发现铂原子在高熵合金纳米粒子形成过程中起到关键作用，对铂基多元合金和非铂体系合金在低温下还原分解，发现含铂体系均可在低温条件下（300℃）形成单项固溶体结构，而非铂体系在300℃时还未分解完全且出现了物相的分离，揭示了体系中铂元素可有效的催化降低其他金属的还原温度，使不同元素在低温条件下可同时被还原形成单相固溶体结构。
图3. 铂基多元合金和非铂基合金微观结构表征
要点三：铂基高熵合金纳米粒子尺寸和物相结构的精准控制及生长机理
通过对铂基高熵合金纳米粒子反应过程实时控制和动态监测，揭示了铂基高熵合金纳米粒子由前驱体至纳米粒子的演变过程以及生长方式，实现了铂基高熵合金纳米粒子组份、粒径尺寸和物相结构的精准控制，为进一步高熵合金纳米材料成份设计、材料筛选和数据挖掘提供了保障。
图4. 铂基高熵合金纳米粒子生长机理。
要点四：铂基高熵合金纳米粒子催化氧化甲醇性能表征
为了证明制备材料的有用性，对PtCoCuRuNiFe HEA-NPs进行了催化氧化甲醇实验，实验表明PtCoCuRuNiFe HEA-NPs表现出了优异的催化氧化甲醇性能，质量电流强度是商用碳载铂的5倍，耐久性也优于商用催化剂。
图5. 铂基高熵合金纳米粒子催化氧化甲醇性能。
【文章链接】
Panchao Zhao*, et al. Facile and General Method to Synthesize Pt-Based High-Entropy-Alloy Nanoparticles. ACS Nano, 2022. 10.1021/acsnano.2c03818.
【第一作者介绍】
赵盘巢，现任西北有色金属研究院电子材料所副研究员。2014年毕业于东北大学秦皇岛分校材料科学与工程学院，获得学士学位，2017年毕业于昆明贵金属研究所，获得硕士学位，师从陈家林教授（贵金属功能材料）。
2017年进入西北有色金属研究院工作，主要从事稀贵金属微纳米多元合金材料研究，以及燃料电池、电解水等催化剂研制，作为第一负责人主持国家自然科学基金青年基金项目、陕西省科技厅重点研发项目、国家重点实验室开放课题以及西北有色金属研究院重点科技项目，相关研究成果在纳米材料领域内的国际期刊ACS Nano, ACS Appl. Energy Mater., Nanoscale Research Letters, Powder Technology等发表学术论文20余篇。
