Continuous Fly-Through High-Temperature Synthesis of Nanocatalysts
连续飞越高温合成纳米催化剂
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03620 | 期刊: ACS Nano Letters | 发表年份: 2021
论文亮点
- 开发了一种新型连续飞越高温反应器，可在高达3200K的温度下快速合成纳米材料，实现高效、均匀的反应条件。
- 合成的Pt纳米催化剂（约4nm）在甲醇氧化反应中表现出优异的电催化活性和稳定性，优于商业Pt/C催化剂。
研究背景
- 传统热处理方法（如马弗炉和管式炉）升温/冷却速率低（一般<100 K/min），导致热梯度大、反应条件不均匀，纳米颗粒易聚集，尺寸分布宽。
- 热冲击技术虽能实现超高升温/冷却速率（高达10^5 K/s），但难以实现连续合成，且通常依赖于导电薄膜材料，限制了其大规模应用。
- 需要一种高效、连续的合成方法来制备高性能纳米催化剂，以满足燃料电池等领域对高活性和耐久性催化剂的需求。
研究方法
本研究采用了一种创新的连续飞越高温反应器设计，基于焦耳加热原理。详细方法如下：
- 反应器设计: 使用两个面对面放置的碳纸片（厚度0.19mm），间隔1-3mm，通过施加电压（15V）实现焦耳加热，温度可达3200K，升温时间仅50ms。
- 材料合成: 原材料（如Pt盐前驱体负载的碳黑粉末）在重力和载气（空气）作用下连续通过反应器，高温瞬间分解前驱体，生成金属纳米颗粒锚定在碳基底上。
- 温度控制: 通过调节输入电流精确控制反应温度（1100-3200K），使用高速相机和红外辐射相机监测温度分布和稳定性。
- 表征与测试: 使用SEM、TEM、ICP、EDX等手段表征纳米颗粒的形貌、尺寸和组成；通过电化学测试（如循环伏安法）评估催化性能。
图1: 飞越高温反应器示意图，显示原材料在重力作用下通过加热碳纸片。
主要结论
- 成功开发了连续飞越高温反应器，可在高达3200K的温度下实现纳米材料的快速、连续合成，升温/冷却速率高达10^4 K/s。
- 合成的Pt纳米催化剂（平均尺寸约4nm）在甲醇氧化反应中表现出增强的电催化活性和稳定性，峰值电流密度是商业Pt/C的两倍，且具有更好的循环稳定性。
- 该方法具有普适性，可通过调整碳基底、前驱体、温度和时间扩展到其他金属或合金纳米催化剂的合成，为能源应用提供新策略。
图片内容与分析结果
图1: 飞越高温反应器示意图
图1: 示意图显示反应器由两个焦耳加热的碳纸片组成，原材料（前驱体负载的碳黑粉末）在重力和载气作用下快速流过，高温分解生成纳米颗粒。
分析结果: 该设计实现了连续合成，反应空间大，温度分布均匀，克服了传统方法的非连续和热梯度问题。
图2: 反应器的高温特性
图2: (a) 反应器在2300K的光学照片和温度分布图像；(b) 不同温度下的反应器照片；(c) 3200K时的温度-时间曲线；(d) 1秒焦耳加热过程的光强时序演化；(e) 稳定性和(f) 循环性能。
分析结果: 反应器可在50ms内达到2000K，加热/冷却速率高达10^4 K/s；碳纸作为热辐射源表现出优异的热稳定性，连续工作60分钟无降解，循环600次后性能不变。
图3: 碳纸的稳定性和结构性质
图3: (a) 低电流脉冲下的IR温度分布映射图像；(b) 碳纸的应力-应变曲线；(c) 碳纸与其他材料（如ABS、PC、PP）的拉伸强度比较；(d-f) 加热前和(e-g) 加热到3000K 10分钟后的光学照片和SEM图像。
分析结果: 碳纸具有有效的热分布和高机械强度（拉伸强度高），加热后形貌和结构无明显变化，证明其作为高温加热源的可靠性和稳定性。
图4: Pt纳米催化剂的合成与表征
图4: (a) 碳黑的数码照片；(b) 碳黑的SEM图像；(c) Pt盐涂覆碳黑的SEM图像；(d) 在1400K合成Pt纳米催化剂的照片和示意图；(e) 合成产物的数码照片；(f) SEM图像；(g) TEM图像；(h) Pt纳米颗粒尺寸分布直方图；(i) 高分辨率TEM图像。
分析结果: 成功合成了均匀分散的Pt纳米颗粒（平均尺寸4nm），锚定在碳黑上；高分辨率TEM显示晶格条纹间距0.23nm，对应Pt的(111)面；ICP和EDX分析证实Pt负载量为13.0-14.0 wt%。
图5: 电催化性能测试
图5: (a) Pt NP/C与商业Pt/C在0.1 M HClO4中的CV曲线比较；(b) 在0.1 M HClO4 + 0.1 M甲醇电解质中的CV曲线；(c) 循环后的峰值电流密度；(d) 计时安培法平均电流密度。
分析结果: Pt NP/C显示出更高的电化学活性面积（ECSA, 27.7 m²/g vs 24.1 m²/g）、更低的起始电位（0.35V vs 0.47V）和更高的峰值电流密度（1.05 mA/cm² vs 0.55 mA/cm²）；在1000次循环后，电流保留率为56.5%，优于商业Pt/C的44.8%，证明其卓越的活性和稳定性。