Small Structures:纳米高熵材料的合成策略与催化应用

高熵合金(HEA)是一类含有五种及以上金属元素(元素含量均在5-35 at.%)的材料。由于其具有晶格畸变和扩散缓慢等特点,被广泛应用于热、电、磁和机械领域。近年来,随着纳米材料研究的蓬勃发展,纳米高熵合金也受到了研究者的关注。同时,“高熵”这一概念也延伸至各类金属碳/氮/氧化物等高熵材料(HEM)。纳米高熵材料具有元素组分多样且易于调变的特点,因此具有独特的电子结构,在多相催化领域中表现出优于传统材料(如:中熵、低熵材料等)的活性和稳定性,成为当下催化研究的热门材料之一。

江南大学朱罕副研究员、杜明亮教授和香港理工大学柴扬教授系统综述了纳米高熵材料的研究现状,梳理归纳了这类材料的合成策略及在多相催化领域的相关应用,并展望了其应用前景和挑战。相关结果发表在Small Structures(DOI: 10.1002/sstr.202000033)上。作者首先介绍了近年来纳米高熵材料的制备策略,主要有:1) 传统合金合成策略;2) 传统化学合成法;3) 聚合物辅助合成策略;4) 非热力学平衡合成策略。这些方法可以精确调控材料的组分、颗粒尺寸、相结构等,从而调控其在不同催化反应中的性能。作者也分析讨论了各种制备方法的优点与待改进之处。之后作者对纳米高熵材料在多相催化领域中的优异性能进行了较为全面的总结,包括电催化反应(电解水、氧还原和CO2还原)、热催化反应(NH3分解和CO氧化)和有机催化反应(苯甲醇氧化)。最后,作者对纳米高熵材料的未来发展进行了展望。纳米高熵材料具有的独特电子结构使其在各种催化反应中表现出比传统材料更好的催化性能,但相关的研究与应用仍处于较为初级的阶段,其合成、表征、催化应用与机理探讨等问题有待更加深入的研究,比如开发更加精准和高通量的合成策略、发展更细致的表征手段与精确的理论计算方法等。总之,纳米高熵材料是非常具有潜力的新型催化材料,有待于研究者的进一步发掘与探索。