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焦耳熱快燒爐應(yīng)用分享：通過無序-有序轉(zhuǎn)變合成的多主元金屬間化合物納米顆粒

美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授課題組在《Science Advances》上發(fā)表了論文。該研究核心是提出一種無序 - 有序相變策略，成功合成出多主元金屬間化合物（MPEI）納米顆粒，突破了傳統(tǒng)合成方法的局限，為相關(guān)材料的研究與應(yīng)用開辟了新路徑。

2026-01-30

通過無序-有序轉(zhuǎn)變合成的多主元金屬間化合物納米顆粒

https://doi.org/10.1126/sciadv.abm4322

美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授課題組在《Science Advances》上發(fā)表了題為“Multi-principal elemental intermetallic nanoparticles synthesized via a disorder-to-order transition”的論文。該研究核心是提出一種無序 - 有序相變策略，成功合成出多主元金屬間化合物（MPEI）納米顆粒，突破了傳統(tǒng)合成方法的局限，為相關(guān)材料的研究與應(yīng)用開辟了新路徑。

研究背景

納米級金屬間化合物憑借其巨大的活性表面積和獨特的表面特性，在催化、磁學(xué)和超導(dǎo)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。迄今為止，由于多金屬合金中存在顆粒生長/團聚和相分離問題，金屬間納米顆粒的制備仍局限于二元或三元成分體系。合成多主元金屬間化合物（MPEI ；含三種以上元素）納米顆粒需要對反應(yīng)條件進行精細(xì)調(diào)控，而傳統(tǒng)合成方法由于加熱/冷卻速率緩慢，易導(dǎo)致顆粒生長團聚、元素相分離，所得多金屬納米顆粒仍是無序固溶體合金[即高熵合金（HEAs）]，而非有序 MPEI 納米顆粒。

研究方法

本研究通過獨特的多元素?zé)o序-有序（HEA到 MPEI）相變策略（圖1A），成功合成了含有多達8種不同元素的納米級金屬-有機雜化材料（MPEIs，尺寸4-5納米），且未出現(xiàn)顆粒生長或相分離現(xiàn)象。

第一步：制備無序固溶體高熵合金（HEA）納米顆粒，首先在碳基底上負(fù)載金屬鹽前驅(qū)體，通過約1100K的快速焦耳加熱（持續(xù)55毫秒），制得無序固溶體HEA納米顆粒作為起始材料。
第二步：無序 - 有序相變與結(jié)構(gòu)鎖定，通過焦耳加熱精準(zhǔn)控制溫度（約 1100 K），對 HEA 納米顆粒加熱 5 分鐘，促進原子重排形成熱力學(xué)穩(wěn)定的有序金屬間化合物結(jié)構(gòu)，隨后以～10? K/s 的速率快速冷卻，鎖定有序結(jié)構(gòu)，最終獲得 MPEI 納米顆粒。

研究結(jié)果

首創(chuàng) “無序 - 有序相變” 焦耳加熱策略，成功合成 4-5 nm、含多達 8 種元素的 MPEI 納米顆粒，可調(diào)控元素比例與晶體結(jié)構(gòu)（如 L1?、L1?相）（圖2）。

存在顯著尺寸效應(yīng)：僅 < 5 nm 超小顆粒能實現(xiàn)完全無序 - 有序相變，≥60 nm 顆粒易相分離或無序（圖3）。

MPEI 具有雙亞晶格有序結(jié)構(gòu)，長程有序度達 100%，1100 K 下加熱 60 分鐘仍穩(wěn)定，熱力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于二元金屬間化合物與無序高熵合金（圖4）。

催化活性與耐久性表現(xiàn)優(yōu)異：八元 MPEI 納米顆粒作為乙醇氧化反應(yīng)電催化劑，活性是二元 PtFe 的 8 倍、商業(yè) Pt/C 的 12 倍，且耐久性優(yōu)異。歸因于其多元素組成、有序晶體結(jié)構(gòu)及納米尺度帶來的協(xié)同效應(yīng)。

方法優(yōu)勢：焦耳加熱策略的核心價值

與傳統(tǒng)退火法相比，焦耳加熱的快速升溫 / 降溫（~10? K/s）與精準(zhǔn)控溫特性，有效避免了顆粒生長團聚與元素相分離；以預(yù)混合的無序高熵合金（HEA）為前驅(qū)體，解決了多元素?zé)崃W(xué)不互溶的難題，為 MPEI 的合成提供了高效通用的路徑。這項工作開辟了金屬間納米材料的潛在應(yīng)用領(lǐng)域，其在催化、磁學(xué)、超導(dǎo)等領(lǐng)域具有廣闊前景。