成果簡介
本文報道了一種創新的"共熔填充-凝固-修飾"(co-MFFM)方法,成功合成出一種直徑僅為納米級的一維高熵磷化物(HEP)納米線。這種全新的一維高熵化合物在量子限域效應下表現出獨特的電子結構和傳輸效能,在電催化劑、能量儲存和電子器件等領域具有廣闊的套用前景。
研究亮點
配圖精析
圖一闡釋了HEP@SWCNTs(高熵磷化物包覆在碳納米管內)的合成過程。首先將金屬鹽與碳納米管混合並加熱,金屬鹽熔融並填充進入碳納米管內;冷卻後固化形成高熵結構;最後透過磷化反應得到HEP納米線。
圖二解析:(a)掃描透射電鏡影像顯示HEP均勻填充在碳納米管內;(b,c)為糾正像差的高角環形暗場掃描透射電鏡圖,顯示出HEP納米線的無定型結構和約1.26納米的平均直徑;(d)能量散射X射線能譜元素對映證實了金屬元素和磷元素在HEP@SWCNTs 中的均勻分布。
圖三解析: (a)小角X射線散射圖譜顯示HEP的填充導致碳納米管束束間峰的減弱,說明HEP位於碳納米管內腔。(b)拉曼光譜分析表明HEP的摻雜使碳管G帶發生藍移,暗示了碳原子向HEP納米線轉移電子。(c,d)X射線光電子能譜和光吸收譜也證實了這種電荷轉移行為。(e)示意圖顯示摻雜後碳管的費米能階下移,從而增強了電子離域和電荷傳輸能力。
圖四解析: (a-c)電化學測試顯示,相比於商用催化劑和未包覆的HEP,HEP@SWCNTs在氧析出反應中表現出更低的過電位和更小的Tafel斜率,說明其具有優異的電催化活性和反應動力學。(d)HEP@SWCNTs也具有更大的電化學雙電層電容,暗示了更大的電化學活性表面積。(e,f)長時間電解和加速老化測試均證實了HEP@SWCNTs具有卓越的電催化穩定性。
圖五解析: (a)圖示了本工作提出的co-MFFM方法相比於傳統化學氣相轉移法的優勢。(b)透過放大反應物用量,實作了HEP@SWCNTs的大規模制備。(c,d)將磷化過程替換為硫化或硒化,分別制備出了一維高熵硫化物和高熵硒化物,體現了該方法的普適性。
展望
該工作首次合成出一維高熵化合物納米線,解決了穩定這種納米材料的挑戰,並闡明了其獨特的結構和優異的電化學效能。創新的co-MFFM方法不僅可大規模制備,還具有良好的普適性,有望推動一維高熵化合物的系統研究和廣泛套用。
文獻資訊
https://doi.org/10.1021/jacs.3c14510
J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 8464-8471
