蘇州納米所康黎星等JACS：碳納米管內(nèi)嵌一維亞納米高熵化合物的普適合成
近年來，納米尺度的高熵材料在催化、能源等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。高熵材料包括高熵合金和高熵化合物，高熵合金通常由五種或五種以上金屬元素以近等摩爾比構成，而高熵化合物相比于高熵合金還增加了陰離子元素，因而在原子排列中表現(xiàn)出更高的無序性。微觀結構的無序性使得高熵化合物在納米尺度上的合成難以控制，而當目標尺寸進一步縮小到亞納米尺度，高熵化合物的可控合成將更具挑戰(zhàn)性。
針對上述挑戰(zhàn)，最近中國科學院蘇州納米所康黎星團隊基于單壁碳納米管（SWCNTs）發(fā)展了一種co-MFFM法（co-Melting-Filling-Freezing-Modification method）的普適性策略，通過將金屬鹽混合物經(jīng)共熔、共填、共凝后改性，成功制備了以一維高熵磷化物為代表的多種高熵金屬化合物亞納米線。該方法中，單壁碳納米管扮演了多種角色，既是金屬鹽填充過程的模板，又是磷化過程的納米反應器，還是穩(wěn)定一維高熵亞納米線結構的保護殼。
圖1. 一維高熵磷化物亞納米線的合成示意圖
圖2. 一維高熵磷化物亞納米線的結構表征
通過球差校正透射電鏡發(fā)現(xiàn)，一維高熵磷化物在原子尺度上呈現(xiàn)非晶態(tài)結構，各金屬與磷元素共同沿碳納米管軸向均勻分布。小角X射線散射表明一維高熵磷化物內(nèi)嵌于單壁碳納米管孔道中，并排除了管束間隙限域的可能。拉曼光譜和X射線光電子能譜等表明單壁碳納米管向內(nèi)嵌的高熵磷化物亞納米線進行電子轉(zhuǎn)移，且碳納米管存在管壁缺陷，有利于催化過程的傳質(zhì)。電化學測試表明，碳納米管內(nèi)嵌的高熵磷化物有優(yōu)異的電解水析氧催化活性和穩(wěn)定性，這得益于催化劑同時展現(xiàn)的多種特殊結構，包括非晶結構、高熵結構、核殼結構和超細結構等。
此外，針對更廣泛的碳納米管一維內(nèi)嵌物的合成，co-MFFM法展現(xiàn)出高的單次產(chǎn)率和普適性，為內(nèi)嵌碳納米管的宏量制備及其產(chǎn)業(yè)化應用奠定了技術基礎。相關工作以One-Dimensional High-Entropy Compounds為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上。中國科學院蘇州納米所杜俊毅博士為論文第一作者，中國科學技術大學洪勛教授和中國科學院蘇州納米所李清文研究員、康黎星研究員為共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、安徽省杰出青年基金、中國博士后科學基金、江蘇省卓越博士后計劃等項目的支持。
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