Nature Nanotechnology：氢取代的石墨炔辅助的超快火花合成亚稳态纳米材料

一、导读

亚稳态纳米材料是一类不同于其本身平衡相和体相的具有独特物理和化学性质的材料，这为开发可再生能源，电动汽车和材料制造等下一代技术提供了机会。例如，单原子亚稳材料具有丰富的不饱和活性位和强的金属-载体相互作用，可实现电催化和热催化的化学升级。亚稳态高熵合金是一种研究电催化和机械过程的理想的合金原型。然而，亚稳态纳米材料的合成需要极端的非平衡合成条件，具有极大的挑战性。利用传统电阻式加热炉的高温策略进行合成受到了广泛的关注，但通常仅限于单组分亚稳态材料。由于炉退火温度 (~ 1500 K)和加热速率(仅10-20K min^-1)的限制，五种或更多元素的高熵材料的实现非常具有挑战性。近年来，先进的高温合成技术为合成各种亚稳纳米材料开辟了一条创造非平衡条件和避免相分离的途径。例如，在快速淬火速率的液体中激光烧蚀用于合成亚稳态单原子合金；利用超快加热速度的高温冲击合成技术设计合成了高熵合金和氧化物；利用一种温度高于2000 K的气溶胶液滴介导的方法来合成高熵合金。然而，超高温(> 3000 K)和超快加热速率(>10⁵K s^-1) 对材料合成和制造越来越重要，但是仍然难以实现。因此，在毫秒内实现超高温的简便合成是开发亚稳态纳米材料库的迫切要求。

二、成果掠影

近期，斯坦福大学崔屹教授利用取代氢的石墨炔气凝胶(HGDY)开发了超快高温平台。HGDY是二维sp/sp²共杂化碳网络，为亚稳态纳米材料提供了高密度位点。作者设计了氢取代石墨炔辅助的超快火花合成(GAUSS)实现了40ms内温度达到1640 K。通过将铝纳米颗粒和氧化剂结合起来，GAUSS仅在8 ms内就达到了3286 K的显著温度，加热速率大于105K s^-1。利用GAUSS平台成功合成了一个包括单原子、高熵合金和高熵氧化物的亚稳态纳米材料库。电化学测量和密度泛函理论表明，用GAUSS平台合成的单原子催化剂促进了全固态锂-硫电池的锂-硫转换动力学。

相关研究工作以“Hydrogen-substituted graphdiyne-assisted ultrafast sparking synthesis of metastable nanomaterials”为题发表在国际顶级期刊Nature Nanotechnology上。

三、核心创新点

1.作者开发了氢取代石墨炔辅助的超快火花合成(GAUSS)平台制备亚稳态纳米材料。GAUSS平台可在8 ms内达到3286 K的超高反应温度，反应速率超过105K s^-1。通过控制取代氢的石墨炔气凝胶结构的组成和化学性质，可以从1640 K到3286 K调节反应温度。

2.作者通过成功合成单原子、高熵合金和高熵氧化物，展示了GAUSS平台的多功能性，为合成各种亚稳态纳米材料提供了一种强大的方法。通过测试和理论计算表明，GAUSS合成的单原子增强了全固态锂硫电池的氧化还原反应动力学。

四、数据概览

图1  亚稳纳米材料的氢取代GAUSS示意图。© 2022 The Author(s)

图2 GAUSS过程的温度演化及机理。© 2022 The Author(s)

图3 通过GAUSS合成的单原子、高熵合金、高熵氧化物等一系列亚稳态纳米材料的表征。© 2022 The Author(s)

图4 超快单原子合成用于全固态锂-硫电池。© 2022 The Author(s)

五、成果启示

本文开发了一个可以在8 ms内达到3286 K高温的亚稳态纳米材料合成平台GAUSS，该平台在温度高，升温速度快(~105K s^-1)的条件下，可以实现高熵和单原子相，同时还防止相分离、粗化和成熟。除此之外，GAUSS平台成功合成了一组亚稳态纳米材料(单原子、高熵合金纳米颗粒和高熵氧化物纳米颗粒)。平台的简单性，结合控制反应时间、温度、成分和气氛的能力，为合成广泛的亚稳态纳米材料提供了一种有效的策略。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01272-4

本文由张熙熙供稿。