Computationally aided, entropy-driven synthesis of highly efficient and durable multi-elemental alloy catalysts

计算辅助、熵驱动的高效耐久多元合金催化剂合成

第一作者: Yonggang Yao (马里兰大学), Zhenyu Liu (匹兹堡大学), Pengfei Xie (约翰霍普金斯大学), Zhennan Huang (伊利诺伊大学芝加哥分校), Tangyuan Li (马里兰大学)

通讯作者: Liangbing Hu (马里兰大学), Guofeng Wang (匹兹堡大学), Reza Shahbazian-Yassar (伊利诺伊大学芝加哥分校), Chao Wang (约翰霍普金斯大学)

DOI: 10.1126/sciadv.aaz0510

PDF原文

期刊: Science Advances

发表年份: 2020

论文亮点

研究背景

研究方法

  1. 成分预筛选:基于高熵合金相形成规则(原子尺寸差异、混合焓、吉布斯自由能)对10种活性金属(Ru, Rh, Co, Ni, Ir, Pd, Cr, Fe, Cu, Mo)的百万级成分进行筛选,确定固溶体结构
  2. 密度泛函理论(DFT)计算:预测MEA-NPs的形成能,使用特殊准随机结构(SQS)模拟无序面心立方合金结构,计算混合焓、混合熵和吉布斯自由能
  3. 动力学结构模拟:采用混合蒙特卡洛和分子动力学(MC-MD)方法模拟高温合成过程和MEA-NPs的可能结构
  4. 高温合成:利用电焦耳加热实现高温(1500K)快速(0.5秒)合成,将多元素盐前驱体混合物在碳纳米纤维基质上还原并形成均匀分散的纳米粒子
  5. 结构表征:通过能量色散X射线光谱(EDS)、扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)和扫描透射电子显微镜(STEM)等手段表征合金结构
  6. 稳定性测试:通过原位电子显微镜测试MEA-NPs在高温下的尺寸和结构稳定性,并结合MD模拟验证缓慢扩散效应
  7. 催化性能测试:将MEA-NPs应用于氨分解反应,评估其催化性能并与对照组比较

主要结论

图1: 计算辅助的成分筛选和合金形成预测

图1 计算辅助的成分筛选和合金形成预测

内容描述:该图展示了计算辅助的成分筛选过程和合金形成预测结果。(A) NH₃分解反应示意图,该反应对燃料电池应用至关重要;(B) 一元金属催化剂对NH₃分解的反应效率与氮解吸能的关系;(C) 10种活性元素的三元合金筛选结果,黄色点表示均匀固溶体相,紫色点表示金属间化合物、相分离或非晶结构;(D) 多元素系统中成分数量(左)和合金相比例(右)随元素数量增加的变化;(E) Ru-Ni、Ru-4和Ru-5 MEA-NPs的混合焓;(F) 混合熵;(G) 温度依赖的吉布斯自由能。

分析结果:计算筛选显示,三元合金中约61%为合金相(黄色点),随着元素数量增加,合金相比例稳步上升,表明熵驱动单相稳定化效应。DFT计算表明,高混合熵系统可在相对较低温度下形成合金相,Ru-5 MEA-NPs的合金形成温度降至584K,远低于Ru-Ni双金属的2000K。

图2: MEA-NPs的动力学形成模拟和高温合成

图2 MEA-NPs的动力学形成模拟和高温合成

内容描述:该图展示了MEA-NPs的动力学形成模拟和高温合成过程。(A) Ru-5 MEA-NP在1500K下的混合MD-MC模拟方法;(B) 和(C) 分别为高温合成前后负载Ru前驱体的碳纳米纤维的SEM图像;(D) 高温合成过程中的时间温度演化,显示1500K高温持续500ms;(E) 和(F) 分别为Ru-4和Ru-5 MEA-NPs在碳纳米纤维上的TEM图像,显示均匀尺寸和分散性;(G) 相应的尺寸分布。

分析结果:MD-MC模拟表明高温促进均匀混合,高熵稳定结构。实验合成实现了超小尺寸(3-5纳米)和高密度分散的MEA-NPs,归因于快速合成的短时间高温处理限制了粒子扩散和 coalesce,以及缺陷碳基质稳定粒子防止聚集。

图3: Ru基MEA-NPs的合金结构

图3 Ru基MEA-NPs的合金结构

内容描述:该图展示了Ru基MEA-NPs的合金结构表征结果。(A) 双金属Ru-Ni NPs的元素分布图,显示Ru和Ni因不混溶性而分离;(B) 和(C) 分别为Ru-4和Ru-5 MEA-NPs的EDS元素分布图,证明各元素均匀分布的同质合金结构;(D) 和(E) 分别为Ru-5 MEA-NPs中Ru和Ni元素的FT-EXAFS谱图,显示相对于相应金属键的轻微位移;(F) Ru-5 MEA-NPs中Ru、Rh、Co、Ni和Ir的FT-EXAFS谱图,显示不同元素间键长的轻微差异;(G)、(H)和(I) 分别为Ru、Ru-4和Ru-5 MEA-NPs的高角度环形暗场(HAADF)-STEM图像。

分析结果:EDS元素分布证明MEA-NPs中实现了均匀合金结构,即使在不混溶的Ru和Ni元素之间。EXAFS分析表明元素处于金属状态但被不同元素包围,表明合金结构形成。HAADF-STEM显示MEA-NPs呈现碎片化域结构,具有丰富界面,可能来自不混溶组合的多元素混合导致的短程有序。

图4: MEA-NPs的结构稳定性

图4 MEA-NPs的结构稳定性

内容描述:该图展示了MEA-NPs的结构稳定性测试结果。(A) Ru-5 MEA-NPs从室温到873K的原位热稳定性,每个温度保持>30分钟;(B) 原位稳定性测试后Ru-5 MEA-NPs的EDS分布图,显示无元素偏析的同质合金结构;(C) MD模拟的Ru在二元Ru-Ni与Ru在Ru-5 MEA中的扩散系数比较,后者慢两个数量级(100倍);(D) 通过耦合MD-MC模拟对773K退火的Ru-5 MEA-NPs进行组成分析。

分析结果:MEA-NPs在高温下表现出优异的尺寸和分散稳定性,退火后仍保持合金结构而无元素偏析。MD模拟显示MEA-NPs中的缓慢扩散效应(比二元Ru-Ni合金慢100倍)源于多元素混合和 resultant 晶格畸变,有助于增强热稳定性。MC+MD模拟证实熵稳定结构具有高扩散势垒和缓慢动力学,导致退火后元素分布均匀。

图5: Ru-4和Ru-5 MEA-NPs在NH₃分解反应中的催化性能

图5 Ru-4和Ru-5 MEA-NPs在NH₃分解反应中的催化性能

内容描述:该图展示了Ru-4和Ru-5 MEA-NPs在NH₃分解反应中的催化性能。(A) Ru-4和Ru-5 MEA-NPs与Ru、RhCoNi和Ru-5 IMP样品的极化曲线比较;(B) Ru-4 MEA-NPs与简单添加Ru + RhCoNi的转化效率比较;(C) 和(D) 分别为高温催化研究后Ru-4 MEA-NPs的HAADF和EDS图,显示良好的分散性和无相分离的合金结构;(E) Ru基MEA-NPs与文献的性能比较(数据见表S4)。

分析结果:MEA-NP样品的性能显著高于相应对照组。Ru-4 MEA-NPs在约470℃达到100% NH₃分解,而具有相似Ru负载量的Ru样品仅显示30%转化率。Ru-5 MEA-NPs明显优于具有相同组成的Ru-5 IMP样品,表明性能提升主要来自合金结构而非简单元素混合。RuRhCoNi-MEA的转化效率远高于简单添加Ru + RhCoNi,表明RuRhCoNi MEA样品中存在强协同效应。与文献比较显示,MEA-NPs属于优越催化剂之列(450℃下GHSV ≥ 30,000)。