一、研究背景
近年来，人们对多元素合金（MEA）纳米颗粒的兴趣激增，因为这些材料通过均匀相中的多元素混合表现出协同效应，从而产生可调的催化活性、丰富的活性中心和独特的选择性。由于其熵稳定效应，与简单组成催化剂（如一元、二元）相比，MEA纳米颗粒具有更好的抗副反应稳定性，如浸出和相分离。
尽管具有良好的相稳定性，但纳米颗粒团聚等界面不稳定性仍然是一个主要问题。这个现象普遍存在，碳载体与MEA简单组成的纳米颗粒，由于界面结合较弱，也存在这一问题。尤其在长期运行/恶劣条件下，问题更严重，会导致活性中心逐渐丧失和整体性能下降目前许多研究工作，如用碳化物、氮化物和氧化物取代碳载体等，都致力于解决这一问题。
然而，由于碳具有电性能好、比表面积大、成本低等优势，碳载体在许多实际应用中仍具有广阔的前景。因此，开发新策略以提高碳载体上MEA纳米颗粒稳定性至关重要。
二、研究成果
MEA纳米颗粒由于其高活性和优越的相稳定性而备受关注。由于碳具有高比表面积、良好的导电性和可调的缺陷位置，以往的MEA纳米颗粒的合成主要以碳为载体。然而，由于MEA和碳之间的界面结合不稳定，界面稳定性问题（如纳米颗粒团聚）仍然很突出。当MEA纳米颗粒用作催化剂时，这一问题往往会导致性能下降，从而阻碍其实际应用。
近日，美国马里兰大学胡良兵教授团队开发了一种界面工程策略来合成MEA-氧化物-C催化剂，其中金属氧化物有助于分散和稳定MEA纳米颗粒，使其具有优异的热稳定性和电化学稳定性。使用几种MEA成分（PdRuRh、PtPdIrRuRh和PdRuRhFeCoNi）和金属氧化物（TiO2、Cr2O3）作为模型系统，研究表明，添加金属氧化物可获得优异的界面稳定性，使得催化剂具有优异的催化性能。在原位加热至1023K的透射电子显微镜下，以及通过Li-O2电池的长期循环（>370小时），证明了优异的热稳定性，这项工作为构建高效稳定的催化剂提供了一条新的途径。
相关研究工作以“Interface Engineering Between multi-elemental alloy Nanoparticles and Carbon Support Toward Stable Catalysts”为题发表在期刊《Advanced Materials》上。值得一提的是，根据Web of Science记录，这也是胡良兵教授在AM上发表的第30篇论文，祝贺！
三、图文速递
金属氧化物在稳定碳载体上的MEA纳米颗粒方面起着关键作用。与直接负载在碳载体上相比，结合金属氧化物中间体的MEA纳米颗粒在碳载体分散得更稳定。DFT计算表明，分散在含Cr2O3的缺陷石墨烯上的PdRuRh的结合能，远高于直接负载在缺陷石墨烯上的PdRuRh的结合能，表明PdRuRh-Cr2O3-C具有更好的稳定性。金属纳米颗粒和氧化物之间存在两种相互作用：Metal-Cr（金属和共价键）和Metal-O（离子键），且Ru比其他元素更有利于与氧化物相互作用。
图1. MEA-氧化物-C催化剂的示意图与DFT计算
图2. MEA-氧化物-C催化剂的合成和表征
为了评估这种设计的催化剂性能，研究人员进行了高达1023K的原位/非原位加热试验，结果表明PtPdIrRuRh-TiO2-C纳米纤维模型系统显示出良好的界面稳定性。此外，研究人员将PdRuRh-Cr2O3-C模型系统用作Li-O2电池操作的阴极催化剂，经过长期试验，催化剂也没有表现出界面降解，这优于直接分散在碳上的MEA。与PdRuRh-Cr2O3-C相比，PdRuRhFeCoNi-Cr2O3-C阴极具有相似的催化活，且表现出更好的可循环性（74个循环，~370 h）。引入Fe、Co和Ni取代部分Pd、Ru和Rh，不仅减少了贵金属的使用，而且由于混合熵的增加提高了催化剂的稳定性。
图3. MEA-氧化物-C催化剂的的热稳定性
图4. MEA-氧化物-C催化剂的化学稳定性
四、结论与展望
在这项研究中，研究团队报道了一种通过在碳载体上引入金属氧化物，以合成稳定MEA氧化物碳纳米颗粒的方法。DFT计算表明，MEA纳米颗粒与分散在碳上的金属氧化物之间的结合能高于MEA纳米颗粒与碳之间的结合能，理论上表明该研究设计催化剂具有更好的稳定性。通过使用几种模型系统，证实了与传统催化剂相比，该研究设计催化剂表现出优越的热稳定性和电化学稳定性。该项研究工作强调了在碳载体上稳定MEA方面，氧化物中间体起到关键作用；为实现MEA纳米颗粒作为高效和实用的催化剂，提供良好的发展前景。
五、文献
文献链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202106436
文献原文：
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