Roll-to-roll synthesis of multielement heterostructured catalysts

多元素异质结构催化剂的卷对卷合成

第一作者: Wenhui Shi, Hanwen Liu (华中科技大学)

通讯作者: Bao Yu Xia, Yonggang Yao (华中科技大学)

DOI: 10.1038/s44160-025-00758-y

PDF原文

期刊名称: Nature Synthesis

发表年份: 2025

论文亮点

研究背景

研究方法

本研究开发了一种卷对卷碳热冲击技术（CTS），用于多元素异质结构催化剂的合成：

  • 使用卷对卷碳热冲击技术（CTS），速度可达7 m/min。
  • 通过焦耳加热实现高温合成，温度可调，最高可达1000°C。
  • 前驱体溶液滴加到碳布上，然后在氩气环境中进行脉冲电流加热。
  • 具体步骤包括清洗碳布、滴加金属盐前驱体、应用电流进行瞬时加热。
  • 表征技术包括SEM、TEM、XPS、XRD等。
  • 电化学测量使用三电极系统，在1.0 M KOH电解液中进行HER测试。

主要结论

  • 提出了ΔG_Temp^{M-C}作为热力学描述符，指导多元素异质结构的设计和合成。
  • 开发了卷对卷CTS技术，实现了快速、大规模制备多元素异质结构催化剂，速度达7 m/min。
  • 通过动力学调控，可以精确控制元素分布，识别不同的元素区域，从而合理构建异质结构。

图1: 异质结构催化剂的卷对卷合成

Fig. 1

图1: 异质结构催化剂的卷对卷合成示意图和比较

内容描述

图1a展示了通过卷对卷CTS方法快速和跨尺度制造多元素异质结构催化剂的示意图。图1b是合成过程的照片。图1c显示了在不同应用电流下的温度曲线。图1d是通过卷对卷合成方法制造的大规模电极照片。图1e比较了传统合成和一步合成。图1f比较了卷对卷CTS过程与传统大规模制备方法的效率和产率。

分析结果

该方法不仅实现了快速催化剂制备（约0.5秒），还能合成从单元素到高熵合金、氧化物及其异质结构的一系列催化剂。卷对卷CTS提供了连续制备和高产率，表明真正的工业级可扩展性。

图2: 多元素异质结构的快速筛选和结构表征

Fig. 2

图2: 多元素异质结构的快速筛选和结构表征

内容描述

图2a显示了PtM3@M2-M1Ox在电流密度10 mA/cm²下的过电位筛选。图2b是过电位与相对氧化电位之间的火山图。图2c和2d是碳布的照片和SEM图像。图2e是PtCo@La-TiO2的SEM图像。图2f是TEM图像。图2g是高分辨率TEM图像。图2h是HAADF-STEM和EDS mapping图像。图2i是PtCo@La-TiO2在四个不同区域的LSV曲线。

分析结果

通过筛选，确定了PtCo@La-TiO2作为碱性HER的优化催化剂。结构表征显示PtCo纳米颗粒均匀分散在La-TiO2岛上，具有一致的粒径和分布，表明合成方法的可重复性。

图3: PtCo@La-TiO2催化剂的HER性能

Fig. 3

图3: PtCo@La-TiO2催化剂的HER性能评估

内容描述

图3a显示了Pt/C、Pt、PtCo@TiO2和PtCo@La-TiO2的LSV曲线。图3b比较了在10 mA/cm²下的过电位和在-0.1 V下的电流密度。图3c是对应的Tafel斜率。图3d是不同催化剂的水解离动力学势垒。图3e是PtCo@La-TiO2上HER的吉布斯自由能图。图3f是AEM水电解槽示意图。图3g和3h是使用PtCo@La-TiO2或Pt/C作为阴极催化剂的极化曲线和计时电位测试。

分析结果

PtCo@La-TiO2表现出类似于商业Pt/C的活性，过电位更低，Tafel斜率更小，表明更快的HER动力学。此外，在AEM电解槽中表现出优异的活性和稳定性。

图4: 多元素异质结构的热力学指导和一般合成

Fig. 4

图4: 多元素异质结构的热力学指导和一般合成

内容描述

图4a显示了在1000°C下周期表中的ΔG_Temp^{M-C}热力学描述符。图4b-d是HAADF-STEM和EDS mapping图像，分别显示HEA-5@TiO2、Pt@HEO-5和HEA-5@HEO-5。图4e显示了在Ar和空气中计算的ΔG_Temp^{M-C}变化。图4f和4g是在Ar和空气中合成的PtCoWCr@WCr-TiOx和PtCo@WCrTiOx的HAADF-STEM和EDS mapping图像。

分析结果

ΔG_Temp^{M-C}作为热力学描述符指导了多元素异质结构的合成。不同气氛下元素分布的变化表明氧分压对异质结构形成有较大影响。

图5: 动态可调性和元素指导图

Fig. 5

图5: 动态可调性和元素指导图

内容描述

图5a显示了CTS过程的动力学可调温度。图5b是ΔG_oxidation^{M-C}的温度依赖性。图5c是元素动态调控示意图。图5d-f是PtPd@FeNiTiZrox、PtPdNiFe@TiZrox和PtPdNiFe@FeNi-TiZrox的HAADF-STEM和EDS mapping图像。图5g显示了异质结构中Ni0和Fe0的价态含量。图5h是HEA-9@HEO-10的HAADF-STEM和EDS mapping图像。图5i是多元素异质结构催化剂的元素指导图。

分析结果

通过精确控制CTS温度，可以实现元素分布的动力学调控，识别动态可调元素（DTE），从而合理构建多元素异质结构。

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