长期以来，hume-rothery规则限制了固态材料的组成空间，制约了新无机材料的发现。基于多功能的火焰气溶胶过程，美国伯克利实验室敦超超、jeffrey j. urban团队和布法罗大学mark t. swihart团队开发了具有多种晶体结构的高熵氧化物纳米陶瓷，包括岩盐型、尖晶石型、四方型、氟化物型和金红石型。研究团队进一步高效地将多达22种金属阳离子整合到单相氧化物中，拓展了高熵材料的边界。所产生的纳米陶瓷显示出卓越的热稳定性、原子级的均匀元素分散和增强的催化性能。这种可扩展的单步骤过程不仅承诺更简单、更便宜的生产方式，还为能源存储、催化和其他创新应用开辟了新途径。2024年8月27日，该研究成果以“a general flame aerosol route to high-entropy nanoceramics”为题，发表在matter期刊上。论文第一作者为刘硕。
高熵材料因其独特的性质和广泛的应用潜力，近年来在材料科学领域引起了广泛关注。高熵陶瓷通常包含五种或更多种元素，这些元素在晶格中均匀分布，形成单一的固溶体结构。这种高度的元素混合增加了材料的配置熵，有助于提高其热力学稳定性。然而，传统的高熵材料合成方法如固态反应、球磨、溶胶-凝胶法等不仅过程复杂，成本高昂，而且往往限于生成热力学稳定的结构。针对这些挑战，研究团队开发了一种通用的火焰气溶胶过程，实现了高熵纳米陶瓷的快速、低成本和大规模生产。
图1：火焰气溶胶法合成高熵纳米陶瓷的示意图和设计理念。
火焰气溶胶技术的原理与优势
火焰气溶胶技术是一种利用火焰作为热源，通过高温快速处理溶液中的金属盐前体，生成纳米颗粒的方法。该研究中，通过改进的火焰反应器分离了火焰化学与粒子形成的化学过程，使其能够利用低成本的水溶性盐前体进行操作。在该过程中，含有多种金属阳离子的水溶液被连续喷入反应器，通过火焰的高温迅速蒸发水分，使金属盐分解并在瞬间形成高熵纳米陶瓷颗粒。此外，火焰下游的快速氮气淬火保证了即使在非平衡条件下，也能够迅速冷却并稳定新形成的纳米颗粒，防止相分离。
材料的热稳定性与均匀性
使用火焰气溶胶技术制备的高熵纳米陶瓷显示出卓越的热稳定性和原子级的均匀元素分散。这得益于该方法能够在极短的时间内完成高温处理和快速冷却，有效地“锁定”了材料中的元素分布，使其在原子尺度上均匀分布，几乎没有相分离和元素偏析。此外，通过调控火焰的参数（如温度、流速和喷射角度），可以精确控制产生的高熵纳米陶瓷的晶体结构和相组成，进一步拓宽了材料设计的灵活性和应用范围。
应用展示——高熵单原子催化剂。在传统催化材料中，活性组分通常以金属纳米粒子的形式存在，这可能导致催化剂的高成本和较低的原子利用率。在该研究中，研究团队利用火焰气溶胶技术成功合成了一种新型的高熵单原子催化剂。通过将铂原子以单原子形式嵌入到由五种或更多金属元素组成的高熵氧化物基底中，实现了催化活性组分的高度分散和稳定。这种高熵基底不仅提供了高度均匀的金属阳离子环境，还因其高配置熵而表现出优异的热稳定性和抗烧结能力。在对高熵单原子催化剂进行性能评估时，研究团队选择了二氧化碳的氢还原反应作为测试模型。这一反应不仅在理论上具有将温室气体转化为有用化学品的潜力，而且对催化剂的活性、选择性和稳定性提出了极高的要求。实验结果表明，含铂的高熵单原子催化剂在该反应中表现出了显著的催化活性和优异的长期稳定性。具体而言，该催化剂能够在较宽的温度范围内维持高的二氧化碳转化率和高的选择性向一氧化碳的转化，且在连续运行600小时后仍能保持稳定的催化性能，这得益于其独特的高熵材料属性，如抗高温烧结和高配置熵带来的稳定性。
图2：基于高熵体系单原子催化剂的热稳定性和抗烧结能力展示。
该研究成功开发了一种通用的火焰气溶胶方法来制备高熵纳米陶瓷，这些材料不仅具有优异的热稳定性和化学稳定性，而且在催化、能源存储和环境保护等多个领域显示出广泛的应用潜力。该技术的一步法、连续操作和低成本特性，为这类材料的商业化生产和实际应用提供了可能。未来，通过进一步优化合成条件和扩展元素种类，有望在更广泛的材料体系中实现高熵纳米陶瓷的设计与应用，推动材料科学领域的发展。（来源：科学网）
相关论文信息：
