激光固相组成：石墨烯包裹高熵合金纳米颗粒的定制化制备

  宁波资料技能与工程研讨所激光极约束作研讨团队开发了激光固相组成新资料技能，制备了标准可调、无相别离、石墨烯层包裹结构的高熵合金纳米颗粒，自支撑催化电极在碱性条件下析氧反响中展现了超强稳定性，超越绝大多数金属催化剂。该技能在新能源范畴催化资料的规模化制备和产业化使用上具有潜在优势。该作业以“Laser solid-phase synthesis of graphene shell-encapsulated high-entropy alloy nanoparticles”为题宣布在世界光学顶尖期刊《Light：Science & Applications》。

  高熵合金是由五种或更多的金属元素以持平或挨近持平的份额组成的金属资料。与传统合金比较，高熵合金具有共同的高熵效应和晶格畸变等结构特征，可以显著地改动催化剂的电子结构和吸附能，完成高性能高挑选催化，在催化范畴表现出巨大的使用潜力。高熵合金纳米颗粒的元素组成、粒径散布、晶体描摹和相结构等特征遭到组成战略的极大影响。选用“自下而上”的组成办法可以准确操控纳米颗粒的描摹和标准，但选用惯例化学组成办法如微乳法、水热法、微流法、化学气相堆积、热解法及溶胶-凝胶法，在纳米标准准确操控多种不相容元素构成固溶结构，并完成纳米颗粒的高效、规模化制备有很大的应战。近年来，人们提出了各种快速组成高熵合金纳米颗粒的办法，如碳热冲击法、快速移动床热解法、微波加热法、焦耳快速加热法以及等离子射流组成等，能轻松完成纳米颗粒的快速可控组成，降低了相别离。可是，这一些办法常常要特制设备或许约束特定的载体。

  中国科学院宁波资料技能与工程研讨所激光极约束作研讨团队开发了石墨烯包裹非贵金属高熵合金纳米颗粒激光固相组成技能。不同于液相中激光烧蚀金属靶材“自上而下”构成纳米颗粒的办法，激光固相组成技能使用激光与金属前驱体盐相互作用中的瞬时加热和快速冷却，使性质（原子半径、复原电势、晶体结构和熔点等）悬殊的金属元素在纳米标准进行均匀的涣散交融，确保激光组成的高熵合金纳米颗粒为单相固溶体， 避免了相别离。一起，这种办法简略高效、工艺可控性强，可在常温常压下制备，无需特制配备。制备的石墨烯包裹结构的高熵合金纳米颗粒催化电极展现了优秀的催化活性和超强的稳定性， 优于商业催化剂及文献报导的同类催化剂。他们一起用该办法成功组成了其它高熵合金氧化物，硫化物及磷化物纳米颗粒，表现了激光固相组成技能的普适性。

  该团队将激光诱导石墨烯（Laser-induced graphene，LIG）浸没在五种金属前驱体盐混合溶液中，枯燥后固态金属前驱体吸附在3D多孔石墨烯结构上，通过激光辐照制备出具有标准均匀、无相别离， 石墨烯层包裹特别结构的高熵合金纳米颗粒。一起，以碳纸为支撑物，直接制备出负载型纳米颗粒自支撑催化电极。制备进程如图1所示。

  他们提醒了激光是如何将离子方式存在的金属盐复原成金属单质并构成纳米颗粒的机理。当激光辐照负载前驱体盐的石墨烯时发生两个现象：一是脉冲激光辐照发生的热量使前驱体盐发生热解；二是激光辐照下石墨烯载体在必定温度下发生很多热发射电子。根据这两个现象，他们提出组成机理绵亘三个进程：即热解进程，热电子复原进程和熔融金属集合决裂进程。这三个进程与载体温度改变严密相关，脉冲激光辐照下100 s内石墨烯的温度升至金属的熔点以上，一起在107K/s的冷却速度下，构成了成分和标准均匀的纳米颗粒。

  该团队还深入研讨了石墨烯层包裹纳米颗粒的特别结构：纳米颗粒被数层石墨烯包裹，包裹是在激光辐照进程中一步构成，无需任何前处理或后处理诱导生成。石墨烯包裹可以约束纳米颗粒的移动和集合，确保颗粒标准均一性。并且，这种包裹结构减少了催化反响中纳米颗粒的脱落，极大进步催化稳定性。制备的负载高熵合金纳米颗粒自支撑催化电极在碱性条件下氧分出反响中电流密度为10 mA/cm2时表现出293 mV的过电位，在428 h稳定性测验后，过电位仅添加74 mV，超越绝大多数金属催化剂。

  最终，该团队还制备了高熵合金氧化物，磷化物和硫化物，表现了激光固相组成技能的普适性。实际上，激光在极短时间内将前驱体盐复原成纳米颗粒。因而，激光固相组成技能的普适性不只表现在纳米颗粒的元素品种，还表现在载体的多样性，工艺的可调控性，然后可以简略、高效、定制化制备催化资料和催化电极。