杨军课题组Matter：“电火花法”制备高电催化性能纳米合金获得新进展

mipang

近日，过程工程所杨军研究员团队与韩国首尔国立大学Mansoo Choi教授团队合作研发了具有较好普适性的“电火花（Sparking Mashup）”技术制备合金纳米颗粒，并利用该技术成功制备出包括互溶金属，不互溶金属和高熵纳米合金在内的平均粒径为5 nm的55种不同的合金纳米颗粒。该制备方式突破了湿化学方法在不互溶金属和高熵纳米合金合成中的局限性，可有效减少催化剂中贵金属的用量，在保持甚至提升其电催化活性的同时，大大降低催化剂成本。

　　由于金属纳米合金在电催化应用方面的具大潜力，其设计与制备一直是纳米科学技术领域的热点课题，受到研究者的广泛关注。纳米合金中不同组分之间的相互作用可以改变活性金属的电子构型并产生协同效应，极大提升其在电化学反应中催化活性、稳定性和选择性。特别是对于Pt和Pd等贵金属，通过与过渡金属合金化的方式，可有效减少贵金属在催化剂中的用量，在保持甚至提升其电催化活性的同时，大大降低催化剂成本。
　　互溶金属构成的纳米合金可以通过湿化学方法制备与调控。然而，针对不互溶金属或物理化学性能有显著差异的多种金属构成的合金（高熵纳米合金），其合金化仍然面临巨大挑战，需要突破湿化学法的局限，发展和应用新的制备方式和技术。该研究团队制备的纳米合金具有超小颗粒尺寸，由于不同组分之间的电子效应及颗粒清洁的表面，使得这种方法制备的含铂或钯的纳米合金在甲醇和乙醇的电催化氧化中表现出了优异的催化性能。研究人员表示，下一步要对含铂或钯的纳米合金进行进一步优化，以提高其在直接醇类燃料电池中的性能。该纳米合金的制备方式有望为燃料电池和其它可再生能源领域创造低成本、高活性和耐用性的催化剂。
　　这项研究已于8月17日发表在Elsevier出版社旗下的《Matter》杂志(DOI: 10.1016/j.matt.2020.07.027)。在首尔国立大学工作的冯继成博士和过程工程所陈东副研究员为论文的共同第一作者。

　　（材料与环境工程研究部）

      文章来源：过程所

      杨军，中国科学院过程研究所研究员。2006年博士毕业于新加坡国立大学，其间主要从事生物分子启发的燃料电池催化剂组装的研究，探索有效的方法使用DNA互补杂交来组装具有催化活性的金属纳米粒子，包括制备可控形状，尺寸的金属纳米粒子，用互补DNA进行表面修饰和组装以及后续的电化学测定。2006年 2月，进入美国波士顿学院从事博士后研究，主持一个使用DNA为稳定剂制备半导体CdS纳米粒子的研究课题。2007年1月随指导教师Shana O. Kelley教授转入多伦多大学继续博士后研究，发展了一个简单的方法可以在水相和有机相中向PbS纳米粒子上沉积金或银等金属。于2007年获得了新加坡生物工程与纳米技术研究所的Research Scientist职位，并在2010年起担任复合材料用于能源转换研究的课题组长。先后参加了由美国航空部（US Air Force）、美国国立卫生研究院（NIH）、加拿大主席团（Canada Research Chairs）、多伦多大学（Uni. of Toronto）、加拿大创新基金会（Canada Foundation for Innovation）、加拿大自然科学与工程研究理事会（Natural Sciences and Engineering Council of Canada）和新加坡科技部（A*STAR）资助的多个项目研究。2010年6月通过中国科学院“百人计划”回国。研究方向主要为金属、半导体及复合纳米材料、燃料电池、光催化、水处理和环境净化及分离技术，已发表35篇SCI文章，包括Nature Materials, Journal of the American Chemical Society，Journal of Physical Chenistry B 等，还应邀为“Colloid and Surface Research Trends”撰写章节 “Applications of The Phase Transfer of Nanoparticles”，该书已于2007年被Nova Science Publishers出版。