{首页主词},&

Science封面：突破！科學(xué)家首次合成高熵合金納米顆粒

2018-04-04 10:29:23 作者：本網(wǎng)發(fā)布來源：X一MOL資訊分享至：

　　近日，納米科學(xué)領(lǐng)域又有重大突破。通過多所大學(xué)的合作，科學(xué)家找到了一種通用的簡單方法，首次將多種在常識中不能相容的元素在納米尺度進(jìn)行均勻的分散融合，制備出含有八種元素的單相固溶納米顆粒。這種高熵合金（high entropy alloy）納米顆粒的問世，將極大的拓展納米材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用范圍。

理論上來說，將多種性質(zhì)迥異的元素受控地整合在納米顆粒中，會為納米顆粒的性能帶來更多的變化和可能性。然而，因為元素之間的巨大性質(zhì)差異，通常情況下納米顆粒的合成與研究大多停留在1-3種元素，而且往往還會形成元素或者相分離的結(jié)構(gòu)。因此，在納米尺度控制多種不能相容的元素制備納米顆粒是非常大的挑戰(zhàn)。針對這一問題，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授課題組與麻省理工大學(xué)李巨教授課題組、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar教授課題組、約翰霍普金斯大學(xué)王超教授課題組合作，提出了一種通用且簡單的解決方案，通過對負(fù)載中碳納米纖維上的前體金屬鹽混合物進(jìn)行快速急劇升降溫，可以得到組成、尺寸均可控的多組分高熵合金納米顆粒。相關(guān)工作發(fā)表在最新一期的Science 雜志上，并被選為封面文章。

圖1. 當(dāng)期Science 封面及論文首頁。圖片來源：Science

胡良兵教授說道：“我們可以把這些納米顆粒的元素想象成樂高（Lego）玩具。如果只有1-3種大小或者顏色的拼塊，那最終能得到的組合和可能將很有限。我們的工作就是極大的擴(kuò)展了納米顆粒組合的選擇范圍。現(xiàn)在，我們幾乎可以合成任意的金屬或半導(dǎo)體納米顆粒。”

這種合成高熵合金納米顆粒的策略被稱為“碳熱震蕩法（carbothermal shock）”，通過簡單的兩步快速急劇升降溫完成。預(yù)先混合好的各種金屬鹽的前驅(qū)體負(fù)載到碳納米纖維上，然后進(jìn)行高溫（約2000 K）快速急劇升溫降溫處理（約持續(xù)55 毫秒，升降溫速率100,000 K/s，圖2B）。在高溫下，金屬鹽的前驅(qū)體迅速分解形成液態(tài)金屬，混合均勻；快速的降溫使得各種元素來不及擴(kuò)散即被“凍結(jié)”在納米顆粒中，形成均勻混合的高熵合金納米顆粒。例如，鉑（Pt）、鈀（Pd）、鎳（Ni）、鈷（Co）、鐵（Fe）、金（Au）、銅（Cu）、錫（Sn）這八種金屬元素的原子半徑、還原電勢、優(yōu)選晶體結(jié)構(gòu)、熔點等性質(zhì)有很大差異，通常方法很難形成固溶體，但該研究團(tuán)隊使用碳熱震蕩法就很容易地制備了八元高熵合金納米顆粒（圖2D）。而且，通過調(diào)整碳熱震蕩法的參數(shù)，包括溫度、處理時間、升降溫速率等，研究團(tuán)隊可以很好地控制納米顆粒的化學(xué)成分、尺寸大小、以及相組成（固溶體或者相分離）。

圖2. （A）急劇升降溫前后的碳納米纖維；（B）急劇升降溫過程示意圖；（C）Pt-Ni合金納米顆粒電鏡及元素分布圖；（D）八元高熵合金納米顆粒元素分布圖。圖片來源：Science

李巨教授解釋道：“高溫條件下，碳的代謝（氧化）反應(yīng)主導(dǎo)了這些‘鮮活’的金屬催化劑高速的運(yùn)動、分裂、合并，最終形成了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)方式的均勻納米顆粒，而且高度可調(diào)。”

這些納米顆粒有望在催化、能源存儲、生物成像、等離子體成像等方面找到應(yīng)用。例如，研究團(tuán)隊合成的五元合金顆粒在氨氧化反應(yīng)中展現(xiàn)了極高的催化性能：100%轉(zhuǎn)化率以及>99%產(chǎn)物選擇性，并且比常規(guī)催化劑的貴金屬用量更少，反應(yīng)活化溫度更低。

圖3. （A）五元高熵合金納米顆粒及相分離納米顆粒催化氨氧化反應(yīng)；（B、C）兩種五元合金納米顆粒催化性能；（D）五元高熵合金納米顆粒元素分布圖；（E）五元高熵合金納米顆粒催化性能。圖片來源：Science

王超教授評論道：“這個方法使得我們可以得到自然界不存在或者不相容的金屬組合，使得我們可以大范圍的調(diào)節(jié)催化材料的成分去得到最好的催化性能。這些顆粒可以廣泛應(yīng)用于儲能和化學(xué)催化轉(zhuǎn)化方面。”

Reza Shahbazian-Yassar教授說：“在這些多元合金中，充分理解原子和晶體結(jié)構(gòu)有助于調(diào)節(jié)合成條件以便達(dá)到最好的性能。未來對于高熵合金納米顆粒的結(jié)晶和生長過程將進(jìn)行深入的原子級研究，這將會非常有趣。”

同期Science 雜志還刊登了印第安納大學(xué)伯明頓分校的Sara Skrabalak 教授為此篇文章撰寫的論述文章“Mashing up metals with carbothermal shock”。 Sara Skrabalak 教授高度評價了這一工作，稱道：“合成這些成分是非常有挑戰(zhàn)性的，因為常規(guī)的方法已經(jīng)不適用了。高熵合金納米顆粒使得納米尺度的研究可以有更復(fù)雜多變的成分選擇，蘊(yùn)含巨大的應(yīng)用潛力。” [2]

這一工作也得到了其他科學(xué)家們的關(guān)注。

美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)系教授楊培東評論道，“這真是太神奇了。胡博士創(chuàng)新性的提出這個非常強(qiáng)大的方法——碳熱震蕩法，可以合成具有八種不同元素的高熵合金納米顆粒，這在塊體材料制備領(lǐng)域是不可想象的。這一工作又一次證明納米科學(xué)之美！”

阿貢國家實驗室榮譽(yù)研究員、阿貢國家實驗室能源存儲中心主任George Crabtree博士認(rèn)為，“這個發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了很多的新方向。可以通過模擬的手段去理解這些復(fù)雜成分的電子結(jié)構(gòu)，以便指導(dǎo)設(shè)計下一代的催化劑。同時，發(fā)現(xiàn)合成方式、成分、相結(jié)構(gòu)以及性能之間的關(guān)系，也可推動整個設(shè)計合成領(lǐng)域的發(fā)展。” [1]

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達(dá)原文頁面）：

Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles

Yonggang Yao*, Zhennan Huang*, Pengfei Xie*, Steven D. Lacey*, Rohit Jiji Jacob, Hua Xie, Fengjuan Chen, Anmin Nie, Tiancheng Pu, Miles Rehwoldt, Daiwei Yu, Michael R. Zachariah, Chao Wang?, Reza Shahbazian-Yassar?, Ju Li?, Liangbing Hu?

Science, 2018, 359, 1489-1494, DOI: 10.1126/science.aan5412

參考資料：

1.https://eng.umd.edu/release/do-not-publish-scientists-mix-the-unmixable-to-create-shocking-nanoparticles

2.http://science.sciencemag.org/content/359/6383/1467

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元