Metallic Glass Nanoparticles Synthesized via Flash Joule Heating

通过闪光焦耳加热合成金属玻璃纳米颗粒

第一作者: Hang Wang (纽约大学)

通讯作者: André D. Taylor (纽约大学)

DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02173

PDF原文

期刊名称: ACS Nano

发表年份: 2025年

论文亮点

研究背景

图1 FJH处理与相变示意图

图1 FJH处理与相变示意图：(a)传统加热冷却过程；(b)FJH过程；(c)过冷液态合金的温度-时间曲线及玻璃转变示意图

研究方法

本研究采用自制的闪光焦耳加热(FJH)系统在氩气手套箱中合成金属玻璃纳米颗粒：

  1. 使用碳纤维条(60mm×2mm)作为基底，连接两个电极
  2. 通过滴涂法将混合前体溶液加载到碳纤维条中央区域(20mm×2mm)
  3. 施加15V电压到基底(Ro=12Ω; I=1.25A)持续2秒，然后立即关闭电源让系统自然冷却
  4. 使用高速红外相机(时间分辨率10ms)记录完整的加热和冷却过程
  5. 通过热成像分析定量研究FJH过程中的温度分布和热曲线
  6. 使用XRD、SEM、TEM、XPS等多种表征手段分析合成产物的结构、成分和形貌
图2 FJH过程的热成像分析

图2 FJH过程的热成像分析：(a)基底在FJH过程前后的照片；(b)FJH过程中不同时间点的热成像图；(c)通过热成像测量的FJH过程热曲线

主要结论

结果与分析：非晶态MG纳米颗粒的表征

图3 FJH合成的非晶态MG纳米颗粒

图3 FJH合成的非晶态MG纳米颗粒：(a)不同闪光时间制备的二元MG纳米颗粒的XRD图谱；(b)Pd₃P纳米颗粒的TEM图像和相应SAED图谱；(c)非晶态Pd₃P纳米颗粒的STEM-EDX mapping；(d,e)非晶态Pd₃P的Pd 3d和P 3p高分辨率XPS光谱及累积拟合

通过XRD分析发现，随着闪光时间增加，40°处的衍射峰强度降低，表明颗粒结晶度降低。TEM和SAED分析显示合成的纳米颗粒具有宽衍射环，符合非晶相特征。STEM-EDX mapping表明合成颗粒具有均匀的成分，元素间无可见相分离。XPS光谱证实合金中的Pd和P原子均处于金属状态。

结果与分析：合金成分控制

图4 三元Pd-Ni-P和Pd-Cu-P合金成分控制

图4 三元Pd-Ni-P和Pd-Cu-P合金成分控制：(a)三元相图；(b)Pd-Ni-P合金形成机制示意图；(c)各种Pd-Cu-P MG纳米颗粒的STEM-EDX图谱和SAED图谱

研究展示了FJH控制MG纳米颗粒成分的能力，选择了二元(Pd-P)和三元(Pd-Ni-P和Pd-Cu-P)合金系统作为示例。通过调整前驱体比例，可以精确控制最终产品的成分。三元相图比较显示，FJH技术显著扩展了MG成分空间，超越了传统方法可行的范围。

结果与分析：颗粒尺寸分布控制

图5 颗粒尺寸分布控制

图5 颗粒尺寸分布控制：(a)碳纤维上Pd-Cu-P合金颗粒的STEM图像；(b)TEM图像；(c)六个Pd-Cu-P颗粒的EDX线扫描；(d)纯Pd纳米颗粒的SEM图像；(e)非晶态Pd₃P纳米颗粒的TEM图像；(f)非晶态Pd-Cu-P纳米颗粒的TEM图像；(g)非晶态Pd-Ni-P纳米颗粒的TEM图像；(h-k)相应的颗粒尺寸分布

通过优化FJH热曲线和配方，可以在不牺牲相和成分控制的情况下获得所需的颗粒尺寸分布。研究发现，决定平均粒径的主要因素不是热曲线，而是合金元素的组合。添加多种元素(P和Ni)可以进一步减小颗粒尺寸，将Pd-P与Ni合金化可形成2nm纳米团簇。

结果与分析：电催化性能

图6 非晶态金属磷化物纳米颗粒的电催化性能

图6 非晶态金属磷化物纳米颗粒的电催化性能：(a)OER线性扫描伏安图；(b)OER Tafel斜率和(c)代表性FJH合成合金的计时电位法；(d)玻璃态Pd₁Ni₄P的长期OER稳定性测试；(e)MG PdCoP的MOR催化和(f)各种MG样品和结晶对应物的稳定性测试

合成的金属玻璃纳米颗粒在析氧反应(OER)和甲醇氧化反应(MOR)中表现出优异的催化性能。与非晶态材料相比，结晶样品在所有情况下都表现出活性下降。非晶态Pd₁Ni₄P在60小时长期稳定性测试中未观察到催化剂失活，显示出卓越的稳定性。研究表明，FJH可以创建非晶态催化剂，利用玻璃态结构的优势同时保持纳米颗粒尺寸分布。