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工信部人工智能赋能中小企业典型应用场景案例(科研领域)

湖南大学Nature Chemistry:蜡烛火焰,合成高熵金属/单原子!

2025-08-02
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全文速览


湖南大学化学化工学院潘帅军教授团队联合墨尔本大学Frank Caruso院士通过简单的蜡烛火焰合成法,在常压条件下成功制备出组分可调的高熵金属材料,湖南大学博士刘震为该文章的第一作者。


通过燃烧碳氢燃料制备高熵金属纳米材料(HMNs),从而构建出具有可调结构和尺寸的HMNs库。该方法具有成分灵活性,且实验装置操作简便,使得能够精确设计出高性能且活性增强的电催化剂,展现了其在多个领域广泛应用的潜力。


背景介绍


高熵含金属纳米材料(HMNs)因其多金属协同效应,在催化、生物纳米工程及能量转换等领域展现出独特优势。然而,由于需协调不同元素的理化性质,传统合金化过程常依赖高温高压、设备复杂,且难以扩展至超10种元素系统。研究者提出一种常温常压下的碳氢燃料火焰合成策略,通过燃烧掺杂金属前驱体的烃类燃料(如石蜡),利用火焰从1800 K至环境温度的自然梯度,实现多种金属的均匀合金化。该方法操作简单,无需专用设备,通过棉芯毛细作用实现前驱体迁移与热解反应,显著区别于传统静态热解。调控金属种类、浓度及有机掺杂剂,可合成最多含25种金属的HMNs,粒径可调,分散于30-50 nm的洋葱状碳骨架中。所制材料在H2O2等催化反应中表现优异,分子动力学模拟表明温度梯度在形成稳定合金结构中起关键作用,为构建高性能、多功能纳米催化剂提供了新路径。


图文解析



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图1 | 可调组分的高熵含金属纳米材料合成与表征。


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图2 | 从单原子到纳米颗粒的转变


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图3 |纳米蜡烛灰负载高熵单原子


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图4 |火焰合成高熵合金纳米库


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图5 |金属-蜡烛灰聚集动力学模拟


总结与展望


本研究通过调控金属的组成和浓度,以及引入有机掺杂剂,构建了一个包含多种高熵金属纳米材料(HMNs)的材料库,包括金属单原子(SAs)、合金氧化物纳米颗粒(NPs)和杂原子掺杂金属-碳烟纳米颗粒。这些HMNs最多可包含多达25种不同的金属元素。通过该方法合成的HMNs尺寸可调(从单原子到金属纳米颗粒),且均匀分散在30–50 nm尺度的纳米级“洋葱状”碳烟结构上,具有可调的润湿性(从液滴钉扎到液滴滚动)。该方法不仅在成分调控上具有高度灵活性,而且实验操作简便,有助于精确设计具备高活性与结构稳定性的电催化剂,适用于如过氧化氢(H2O2)生产等工业过程。反应分子动力学模拟表明,火焰中的天然温度梯度对于合金纳米颗粒的形成至关重要。在该过程中,分解后的金属前驱体与多环芳烃(PAHs)先发生反应结合,随后PAHs发生堆叠与碳烟聚集,最终金属合金在碳烟纳米结构内融合成簇,形成纳米颗粒。该火焰合成技术具有诸多优势:无需外部能量即可实现高温;可在开放空气环境中操作;材料组成可灵活定制;可适用于多种前驱体;并具备良好的科学与工业应用前景。因此,该方法为多组分材料设计提供了一个通用平台,极大扩展了高熵金属纳米材料的合成工具箱,并拓展了其在多种应用领域的潜力,如自清洁、氧/二氧化碳电还原反应、以及有机物的光热转化等。

 

通讯作者介绍

 

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潘帅军教授,湖南大学化学化工学院教授、博士生导师、岳麓学者,湖南省芙蓉学者、国家级高层次青年人才项目入选者。于湖南大学和墨尔本大学分别获得工学和哲学博士学位。研究方向:功能高分子、能源化工、功能可控表界面。迄今,已在Nat. Mater.、Nat. Chem.等国际知名学术期刊上发表论文70余篇,其中,以第一作者以及通讯在Nat. Chem. (1篇),Nat. Mater.(1篇)、J. Am. Chem. Soc.(2篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(3篇)、Adv. Funct. Mater.(1篇)、Adv. Sci.(2篇)、AIChE J.(1篇)、Chem. Eng. J.(1篇)、Sci. China Chem.(1篇)等发表研究论文20余篇。


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Frank Caruso院士,英国皇家科学院院士,澳大利亚科学院、工程院双院院士;汤森路透2014年全球最具影响力的科学头脑,2014汤森路透全球高引科学家(材料学,第17名),2020年全球前2%顶尖科学家榜单(纳米科学与纳米技术领域,全球第12名,澳洲第一名),Chem. Mater. 执行主编。

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41557-025-01894-w


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