Shock synthesis by flash-thermal lamping

闪热灯照冲击合成

第一作者: Qi Dong1 | 通讯作者: Liangbing Hu1,2,*

所属大学: University of Maryland

DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.03.022

期刊名称: Chem | 发表年份: 2022

论文亮点

            报告了一种新颖的闪热冲击（FTS）灯照方法，用于在SnO2基底上合成多元素纳米粒子和单原子，显示出在气体传感、能源和催化等领域的巨大潜力。
该方法具有高可调性，能够通过控制灯照能量密度实现不同温度的合成条件，并支持连续制造和高通量合成。

研究背景

瞬态高温加热方法因其高效率、广泛材料范围和良好可调性而近年来在材料合成和处理中受到广泛关注。快速加热和冷却速率能够创建远离平衡的合成 regime，捕获亚稳态，从而发现新材料。
例如，瞬态高温加热过程揭示了多元素纳米材料（如中熵和高熵纳米材料）的新家族，这些材料通常由传统上不混溶的元素组成，难以通过湿化学方法获得。
使用灯照进行加热相比激光具有更高的输出效率和更大的光束面积，但功率密度较低，需要通过工程化基底材料的物理化学性质来增强光热效应。

研究方法

Kim等人创新性地应用了闪热冲击（FTS）灯照过程在二元白色SnO2薄层多孔氧化物纳米片上。具体方法包括：

通过热模拟发现，SnO2纳米片的缺陷、纳米结晶度和孔隙率使其具有高光热转换效率和低热导率，这是实现高效光热性能的关键。
FTS灯照方法在环境空气中提供瞬态高温退火（温度 > 1800°C；加热持续时间 < 20 ms），导致精确和超快的相工程化金属氧化物（如SnO2）。
通过改变灯照的能量密度（即控制光子能量）来调节合成温度，例如展示了610°C、892°C、1345°C、1549°C和1800°C等多种温度。
该方法支持在广泛元素和组成空间中实现远离平衡的合成，包括合成和锚定一系列催化纳米粒子在SnO2纳米片支撑上，同时发生SnO2的相变过程。
通过应用多次FTS灯照射击，可以将纳米粒子转变为小簇，最终转变为单原子，表面缺陷在 transient shots 中起到捕获和稳定单原子的重要作用。

主要结论

FTS灯照方法能够合成高质量的多元素纳米粒子，包括一元、二元、三元甚至五元（如PtRulrFeCo）合金纳米粒子，尺寸小于10 nm，适用于传感和催化应用。
在气体传感应用中，负载在SnO2上的纳米粒子表现出优异的传感活性和长期稳定性，例如在MEMS传感器中检测 trace amounts 的硫酸生物标志物分子，用于疾病诊断。
该方法具有广泛的基底范围（如SnO2、Co3O4等）和良好的可扩展性，作者展示了实验室规模的卷对卷过程用于克级高通量合成，未来可能整合多种冲击型合成以扩展合成能力。

论文图片内容与分析结果

Figure 1: 代表性瞬态高温加热方法用于合成多元素纳米粒子

内容分析: 该图展示了三种瞬态高温加热方法：(A) 碳热冲击方法，由Yao等人报道，用于合成高熵合金纳米粒子；(B) 基于气溶胶的飞越方法，由Wang等人报道，用于连续合成空心高熵纳米粒子；(C) FTS灯照方法，由Kim等人报道，用于在SnO2基底上合成多元素纳米粒子和单原子。分析结果表明，这些方法都能实现快速加热和冷却，捕获亚稳态，合成高质量纳米材料，但FTS灯照方法具有更高的可扩展性和更广泛的基底适用性。