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AM:50毫秒1500℃快速合成多元合金催化剂

已有 642 次阅读 2024-5-9 19:09 |个人分类:化学|系统分类:科研笔记

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2021年,美国马里兰大学胡良兵教授团队在《Advanced Materials》上发表了题为“Interface Engineering Between Multi-Elemental Alloy Nanoparticles and a Carbon Support Toward Stable Catalysts”的论文,开发了一种界面工程策略来合成MEA-氧化物-碳催化剂,其中引入的金属氧化物有利于分散和稳定MEA纳米颗粒,使其具有优异的热稳定性和电化学稳定性。

【总结】

(1)高稳定性设计:通过引入金属氧化物(如TiO2和Cr2O3),形成MEA-氧化物-碳的层次结构,显著增强了多元合金纳米颗粒(MEA)与碳支撑体之间的界面稳定性。这种设计优化了催化剂的热稳定性和电化学稳定性,有效抵抗了长时间使用或恶劣条件下的活性位点损失。

(2)创新的合成方法:采用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。

(3)优异的催化性能和循环稳定性:通过对不同的MEA组合(如PdRuRh, PtPdIrRuRh以及PdRuRhFeCoNi)和不同的氧化物进行模型测试,验证了催化剂在极端条件下(如Li-O2电池的长期循环测试)的卓越性能和稳定性。特别是在Li-O2电池中,PdRuRh–Cr2O3–碳催化剂表现出优越的循环稳定性,循环次数显著高于无氧化物的MEA纳米粒子。

(4)密度泛函理论(DFT)计算支持:利用DFT计算支持了催化剂设计的理论基础,显示MEA-氧化物-碳系统比直接在碳上的MEA系统具有更高的结合能,从而理论上证明了其更高的稳定性。

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图1. MEA-氧化物-碳催化剂的合成和表征

【研究背景】

(1)多元合金纳米颗粒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。

(2)多元合金纳米颗粒(MEA)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。它们在这些应用中的表现直接影响到整体设备的效率和持久性。

(3)尽管MEA纳米颗粒显示出优越的相稳定性,它们在碳支撑体上的界面不稳定性(如颗粒团聚)仍然是一个主要问题。这种不稳定性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。

(4)由于碳材料(如碳黑、碳纳米纤维和石墨烯)具有良好的电导性、大表面积和低成本等优点,它们被广泛用作催化剂的支撑体。尽管存在替代材料(如碳化物、氮化物和氧化物),碳基材料仍被视为许多实际应用中最有前景的选择。

(5)鉴于上述挑战,开发新的策略以在碳基支撑体上稳定MEA纳米颗粒,提高其作为高效和稳定催化剂的潜力,成为研究的重要方向。

【研究方法】

(1)层次结构的合成: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。

(2)高温快速合成技术:利用高温(约1800 K)快速加热的方法,确保MEA纳米颗粒和氧化物的快速且均匀分布。这种方法的关键是避免长时间高温处理可能导致的颗粒团聚。

(3)无表面活性剂的纯净合成:在合成过程中不使用表面活性剂或配体,以避免对最终催化剂性能的潜在负面影响。

(4)微观结构表征:使用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等高分辨率成像技术详细表征合成的MEA-氧化物-碳纳米颗粒的形态和结构。通过能量色散谱(EDS)进行元素映射,验证元素的均匀分布。

(5)热稳定性和电化学稳定性评估:采用原位加热的扫描透射电子显微镜(STEM)测试,评估催化剂在不同温度下的结构稳定性。同时,通过电化学循环测试评估催化剂在模拟实际应用条件下的性能和耐用性。

(6)密度泛函理论(DFT)计算:进行DFT计算以理论上评估MEA-氧化物-碳系统相对于传统MEA-碳系统的结合能和稳定性,从而从理论上支持实验观测到的性能改善。

(7)材料的电化学表征:使用电化学测试,如Li-O2电池的循环性能测试,来评估催化剂的实际应用性能,特别是在苛刻条件下的耐久性和稳定性。

【研究结果】

(1)催化剂的高稳定性: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。研究结果表明,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。

(2)优化的合成方法:通过高温快速加热方法合成的MEA-氧化物-碳纳米颗粒显示出优良的分散性和较小的粒径。这种方法有效地控制了纳米颗粒的大小和分布,从而提高了催化剂的性能和稳定性。

(3)显著改善的电化学性能: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。

(4)结构和化学组成的表征:高分辨率的电镜分析(包括SEM和HRTEM)确认了MEA-氧化物-碳催化剂的结构完整性和元素的均匀分布。元素映射和EDS分析进一步证明了各个组成元素之间良好的协同效应。

(5)理论验证:通过密度泛函理论(DFT)计算支持实验结果,计算表明MEA-氧化物-碳系统的结合能更高,理论上说明了其更好的稳定性。

(6)广泛的应用潜力:研究表明,通过改进的界面工程技术,MEA-氧化物-碳催化剂能够有效应对多种应用环境,包括高温和严苛的电化学条件,展示了其在能源转换和存储技术中的广泛应用潜力。

【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)优化合成参数:进一步研究不同合成条件(如温度、加热速率、氧化物和MEA的负载量等)对催化剂性能的影响,以确定最佳的制备条件,提高催化剂的性能和产量。

(2)探索更多的MEA组合和氧化物:尝试使用不同的金属组合和氧化物种类,探索其对催化活性和稳定性的影响,以找到更高效的催化剂配置。

(3)长期稳定性和耐久性测试:在实际工业应用中,长期的稳定性和耐久性是非常重要的指标。进行长时间的稳定性和循环测试,评估在实际工作条件下催化剂的性能退化。

(4)机制研究:通过高级表征技术(如原位光谱学和高级显微技术),深入研究MEA-氧化物-碳催化剂的工作机制,包括催化反应过程中的电子和原子级相互作用。

(5)扩展应用范围:探索这种催化剂在其他类型的化学反应中的应用,如氧化还原反应、环境污染处理和有机合成,评估其在不同化学反应中的表现。

(6)理论和模拟研究:利用先进的计算化学方法,如动力学模拟和量子化学计算,预测和优化催化剂的性能。这些研究可以帮助理解材料的反应路径和活性位点的本质。

(7)催化剂回收与再利用:研究催化剂的回收和再生过程,评估其经济效益和环境影响,这对于工业应用尤其重要。

(8)规模化生产的可行性研究:从实验室规模向工业规模的转化是科研成果商业化的重要步骤。研究MEA-氧化物-碳催化剂的规模化生产技术,评估其在大规模生产中的性能一致性和成本效益。

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总经理:高丽竹 18610000351(微信同号)

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https://doi.org/10.1002/adma.202106436



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