催化剂新进展：0.3秒1400K超快制备高效碳载高熵合金硫化物催化剂
催化剂新进展：0.3秒1400K超快制备高效碳载高熵合金硫化物催化剂
中国矿业大学朱荣涛副教授和张文军研究员等人在《Nano Research》上发表的最新研究，通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术，在极短的时间内（300毫秒）成功制备了碳载高熵合金硫化物纳米颗粒（CC-S-HEA）。这种新型催化剂在碱性电解质中表现出与Pt/C相当的HER电催化性能，为高效析氢反应提供了新的解决方案。
2023年，中国矿业大学朱荣涛副教授，张文军研究员等人在《Nano Research》上发表了题为“Transient synthesis of carbon-supported high-entropy alloy sulfide nanoparticles via flash Joule heating for efficient electrocatalytic hydrogen evolution”的论文，通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术，300毫秒内在S原子掺杂的碳布上制备了具有良好自支撑性质的高熵合金纳米颗粒（CC-S-HEA），在碱性电解质中表现出与Pt/C相当的HER电催化性能。
研究背景
（1）高熵合金（HEA）因其独特的多元素组成和优异的催化性能，在电催化析氢反应（HER）中被广泛应用。然而，传统的高熵合金合成方法耗时长、能耗高且污染严重，限制了其在析氢反应中的应用。
（2）闪蒸焦耳加热（FJH）技术是一种快速、高效且环保的材料合成方法。它通过瞬时高温和高能量的输入，使材料在极短时间内发生物理和化学变化，从而形成所需的材料结构。该技术在合成过程中大大减少了能耗和时间，是一种具有广阔应用前景的新型合成方法。
（3）本研究旨在利用闪蒸焦耳加热技术快速合成具有高催化性能的碳载高熵合金硫化物，为高效析氢反应提供新的解决方案。
研究方法
（1）化学品和材料准备：选择合适的金属盐前驱体和硫源，用于合成碳载高熵合金硫化物（CC-S-HEA）。具体化学品包括钴（Co）、镍（Ni）、铁（Fe）、钼（Mo）等金属盐和硫化钠（Na2S）。
（2）闪蒸焦耳加热（FJH）系统设置：构建FJH系统，通过高电压（60V）在极短时间内（300毫秒）施加电流，实现高熵合金的快速合成。利用FJH系统生成瞬时高温，引发碳热冲击效应，使硫源裂解为气态硫，形成S掺杂碳基底（CC-S）。
（3）实验过程：将混合好的金属盐前驱体和硫化物均匀分布在碳布（CC）上。在FJH系统中，通过瞬时高温和高能量输入，使反应物在碳布上快速发生反应，生成高熵合金硫化物纳米颗粒。
（4）材料表征：扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察材料的微观形貌和纳米颗粒的分布。X射线衍射（XRD）分析材料的晶体结构。拉曼光谱检测材料中的化学键和分子结构。X射线光电子能谱（XPS）确定材料表面的化学组成和价态分布。
（5）电化学测试：通过电化学工作站进行析氢反应（HER）测试，测量合成材料的催化活性。电化学测试包括循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和计时电流法等。
（6）闪蒸焦耳加热过程模拟：进行FJH过程的热力学模拟，分析加热过程中材料的温度分布和能量输入，优化加热参数和反应条件。
（7）密度泛函理论（DFT）计算：使用DFT计算研究S掺杂碳基底（CC-S）上硫原子的电子结构及其对电子转移的影响。分析CC-S-HEA的电子结构对氢吸附和催化动力学的促进作用，验证实验结果。
研究结果
（1）材料微观结构和化学成分的变化：闪蒸焦耳加热（FJH）技术导致碳布（CC）上形成了大量的孔隙结构和缺陷，生成了硫掺杂碳基底（CC-S）。这种基底能够稳定锚定金属原子，从而形成高密度、均匀分布的高熵合金（HEA）颗粒。
（2）电化学性能的显著提升：电化学测试结果显示，使用60 V闪蒸电压制备的CC-S-HEA在析氢反应（HER）中的催化性能与商业Pt/C催化剂相当。这表明该材料在实际应用中具有很高的催化效率和稳定性。
（3）密度泛函理论（DFT）计算的支持：DFT计算结果显示，CC-S基底上的硫原子能够加速碳基底与HEA颗粒之间的电子转移。这种电子结构的优化有助于提高氢吸附效率，促进催化反应的动力学，从而提升整体的催化性能。
（4）材料制备的快速高效性：通过FJH技术，在300毫秒内成功合成了CC-S-HEA纳米颗粒，这显著缩短了传统高熵合金合成方法所需的时间和能量消耗。研究表明，这种方法不仅简单高效，还具有良好的环境友好性。
（5）广泛的应用前景：研究结果表明，FJH合成方法不仅适用于本研究中的CC-S-HEA材料，还可以推广应用于其他高性能纳米催化剂的合成，具有广泛的工业应用前景。
展望
根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：
（1）进一步优化闪蒸焦耳加热（FJH）技术：研究可以继续优化FJH技术的参数，如电压、加热时间和加热速率，以进一步提升合成材料的性能和效率。
（2）探索其他高熵合金的合成和应用：尽管本研究主要集中在碳载高熵合金硫化物（CC-S-HEA）的合成上，未来的研究可以探索其他高熵合金或其复合材料的快速合成和电催化性能，以拓宽FJH技术的应用范围。
（3）深入研究材料的微观结构与性能关系：进一步研究不同硫化物基底和高熵合金纳米颗粒之间的相互作用，以及它们对电催化反应性能的影响，从而为材料设计提供更多的理论依据。
（4）应用于其他电催化反应：未来的研究可以将FJH技术合成的高熵合金纳米颗粒应用于其他类型的电催化反应，如氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER），以验证其在不同电催化反应中的适用性和高效性。
（5）环境影响和可持续性研究：进一步评估FJH技术在大规模应用中的环境影响和可持续性，探索如何在工业应用中最大限度地降低能耗和环境污染。
（6）计算模拟与实验结合：结合更多的密度泛函理论（DFT）计算和其他模拟方法，进一步理解材料在合成和使用过程中的电子结构变化和催化机制。
赛因脉冲电闪蒸反应器FJH-2024APlus