50毫秒1500℃快速合成多元合金催化剂

50毫秒1500℃快速合成多元合金催化剂

美国马里兰大学胡良兵教授团队在《Advanced Materials》上发表了一篇重要论文，题为“Interface Engineering Between Multi-Elemental Alloy Nanoparticles and a Carbon Support Toward Stable Catalysts”。研究团队开发了一种创新的界面工程策略，用于合成MEA-氧化物-碳催化剂。通过引入金属氧化物，显著增强了多元合金纳米颗粒与碳支撑体之间的界面稳定性，从而提高了催化剂的热稳定性和电化学稳定性。

研究背景

多元合金纳米颗粒（MEA）因其独特的催化活性、丰富的活性位点和可调的选择性而受到广泛关注。这些材料通过多元素混合在均一相中展示出协同效应，潜在地提供比单一或二元合金更好的性能。MEA纳米颗粒广泛应用于热化学和电化学反应中，例如在燃料电池和电池技术中作为催化剂。然而，MEA纳米颗粒在碳支撑体上的界面不稳定性（如颗粒团聚）是一个主要问题，这通常导致活性位点的逐渐丧失和整体性能的衰退，特别是在长期运行或恶劣条件下。

研究方法

研究团队采用了一种创新的界面工程策略，通过在碳基底上引入金属氧化物中间层，形成MEA-氧化物-碳的层次结构。这一结构旨在改善MEA纳米颗粒与碳支撑体之间的界面稳定性。研究团队还开发了一种快速焦耳热合成方法，通过简易且快速的高温处理（约1800 K），在短时间内（约0.05秒）有效地实现了MEA-氧化物纳米颗粒的均匀分散。这种方法能够避免使用表面活性剂或配体，减少残留杂质。

研究结果

研究结果显示，通过在MEA纳米颗粒与碳支撑体之间引入金属氧化物层，显著提高了催化剂的界面稳定性。与传统的MEA-碳系统相比，新的MEA-氧化物-碳系统在极端温度（高达1023 K）和长时间电化学循环测试中展现了优异的结构和功能稳定性。在Li-O2电池的实验中，新型催化剂展示了较长的循环寿命和更高的循环效率。特别是含Cr2O3的MEA-氧化物-碳系统，其循环性能显著优于传统的MEA-碳系统，验证了添加氧化物层的有效性。

展望

这项研究为MEA催化剂的稳定性和性能提升提供了新的思路和方法。未来的研究方向包括优化合成参数、探索更多的MEA组合和氧化物、长期稳定性和耐久性测试、机制研究、扩展应用范围、理论和模拟研究、催化剂回收与再利用以及规模化生产的可行性研究等。