能在800℃下迅速合成納米材料，科學家打造氣溶膠合成新技術，拓展高熵材料的設計合成邊界

有效整合 22 種不互溶元素，200 毫秒內即可生成亞穩態材料，能在 800℃ 下迅速合成納米材料？是的，這些都是已經「照進現實」的材料成果。

近日，美國羅倫斯伯克利實驗室和美國水牛城大學的研究人員，通過使用一種非平衡火焰氣溶膠合成技術，製備出多種晶體結構的高熵氧化物納米陶瓷，比如製備岩鹽型、尖晶石型、四方型、螢石型以及金紅石型等類型的納米陶瓷。

此外，他們還讓 22 種金屬陽離子在單一螢石結構中實現了高效整合，拓展了高熵材料設計和合成的邊界。

研究人員表示，高熵納米陶瓷材料憑藉其獨特的多元素協同特性和卓越的熱穩定性，逐漸成為高科技領域中的革命性材料，在應用前景上：

首先，作為一種高效催化劑，高熵納米陶瓷中元素均勻分佈，單一元素高度分散，這有助於在催化反應中實現更高的效率。

這主要歸功於其高熵特性，即多種金屬離子在同一晶格結構中隨機分佈，從而能夠顯著增加催化活性位點的丰度和多樣性。

特別是在二氧化碳還原等反應中，這種材料能有效促進某些化學反應、甚至是促進串聯反應的發生，從而將溫室氣體轉化為有用的化學品比如甲烷或甲醇。

這不僅有助於減少大氣中的碳排放，也為可再生能源的開發開闢了新的途徑。

其次，在能源存儲領域，特別是在鋰電池的陽極或陰極材料中，高熵材料能夠在電極材料中提高離子和電子的傳輸速度，從而增加電池的充放電效率和延長其循環壽命。

此外，高熵材料的熱穩定性和機械穩定性優勢使其在極端工作條件下仍能保持性能穩定，這對於要求高可靠性的電動汽車和便攜式電子設備尤為關鍵。

在熱管理系統方面，高熵納米陶瓷在航空航天領域展現出巨大的應用潛力。這些應用場景通常要求材料能夠在極端的溫度條件下穩定運行而不失效。

高熵納米陶瓷卓越的熱穩定性和可調節的熱導性使其能夠有效地管理和分散高溫，從而保護關鍵結構部件不受損害。

此外，對於高熵納米陶瓷的生產過程來說，本次技術使用的是通用型火焰氣溶膠法，具有操作簡便、成本低廉和易於規模化的特點，這使得這系列材料具有極高的商業化潛力。

研究人員表示，本次課題旨在解決傳統材料合成技術在高熵納米陶瓷領域中遇到的挑戰。

因此，他們的主要目標是開發一種新型合成技術，借此突破傳統的熱力學限制，將不互溶的元素有效融合到單相結構之中，與此同時還能避免相分離，從而拓展新型無機材料的合成範圍。

在將不互溶的元素結合到一起時，他們面臨的最大挑戰來自休姆-羅瑟里規則。

這些規則極大地限制了新材料的開發，因為它們規定構成材料的元素必須具有相似的原子大小和晶體結構。

為了突破這些限制，他們首先設定了一個目標：開發一種合成新型無機材料的方法。這種方法的關鍵在於快速升溫和快速冷卻。

通過這樣的處理，可以將材料鎖定在動力學上穩定但熱力學上不穩定的亞穩態，從而創造出全新的材料屬性。為了滿足上述要求，他們聚焦了火焰氣溶膠合成（Flame Aerosol Synthesis）技術。

由於這是一種高效且成本低廉的方法，能夠在約 800℃ 的恒定溫度和可調氣氛中迅速合成納米材料。

該技術通過非平衡反應在 200 毫秒內快速生成亞穩態材料，具有出色的溫度控制和快速冷卻功能，可以確保產物的結構和性質的穩定性。

此外，其流動反應器的設計支持規模擴展，適合大規模生產。

確定實驗方法之後，課題組開始著手展示如何利用非平衡火焰氣溶膠合成技術，以便突破傳統合成方法在熱力學上的限制。

首先，他們嘗試了一些基本的二元體系，包括傳統上完全互溶的（NiMg）O、部分互溶的（NiAl）Ox以及完全不互溶的（NiZr）Ox，以探索這項技術在製備納米陶瓷固溶體方面的效果。

這一階段的實驗成功證明本次方法能夠有效地整合不同的金屬氧化物，從而形成具有單一相的納米陶瓷。

隨後，他們進一步研究了氧化鎳與其他金屬氧化物的兼容性。實驗表明，即使對於傳統方法難以合成的元素組合，例如氧化鎳與二氧化鋯，火焰氣溶膠合成技術也能成功製備出均勻的固溶體。

同時，該團隊還擴展了研究範圍，將更多的二元金屬氧化物結合在一起，製備出了具有廣泛應用潛力的納米陶瓷固溶體系列。

然而，這些二元體系仍處於亞穩態。為了進一步提升相分離的閾值，提升材料的熱穩定性，他們嘗試通過增加元素種類來調節材料的構型熵。

但是，面對涉及五元或更多元素的系統，課題組不再僅僅依賴元素的簡單排列組合。

而是採用以氧化物結構為導向的設計原則，精確控制元素比例和材料形態，將不同元素融合進岩鹽型、尖晶石型、四方型、螢石型及金紅石型等多種結構中。

這些發現不僅驗證了本次合成策略的有效性，還為材料科學的研究和應用開闢了新的道路。

除了開發新的材料體系，他們還觀察到了一些新的物理現象和規律。例如，在亞穩態體系中，他們探究了脫溶機制。

在高熵體系中，該團隊發現了元素的高度分散（熵驅動的單原子現象）。

研究人員相信：這些新發現將推動多元納米陶瓷在催化和能源存儲等領域，發揮出更加卓越的性能，並為其應用範圍開闢更廣闊的可能性。

圖 | 相關論文（來源：Matter）

美國羅倫斯伯克利實驗室的傑佛瑞·J·厄本（Jeffrey J. Urban）教授和敦超超項目科學家、以及美國水牛城大學馬克·T·斯威赫特（Mark T. Swihart）教授擔任共同通訊作者。

需要說明的是，本次研究主要採用一種廣泛適用的非平衡方法，借此創建了一個涵蓋中熵、高熵材料（包括氧化物、合金以及有機金屬框架）的數據庫。

研究人員表示：「我們旨在探索這些材料在多種新能源應用領域中的應用潛力。在此過程中，我們實現了對材料結構、成分及形態的原子級精確控制。」

不過，本次工作僅是課題組在氧化物研究上的初步成果，關於合金和有機金屬框架的更多成果也正在整理中。

同時，他們也在深入研究一些特定材料顆粒的精細結構。例如，該團隊利用 4D-掃瞄透射電子顯微鏡重建技術，來精確地揭示材料內部的缺陷與其性能之間的複雜關係。

這種技術能夠在原子級別上提供非常詳細的結構信息，從而幫助他們理解和控製材料性能。

另外，他們正在將機器學習技術與高通量合成技術相結合，以此探索更加獨特和複雜的材料體系。

比如在固體氧化物電解池領域，他們計劃設計出針對特定應用的材料結構和成分。

這一戰略的核心在於運用先進的數據分析和模型預測，以指導實驗過程中材料的合成和優化，實現在實驗室規模的快速材料開發和篩選。

同時，他們也在採用高通量或者原位 X 射線吸收光譜測試，來研究材料在實際工作條件下的動力學和熱力學行為。

通過這種方式，將能快速觀察到材料在反應過程中的實時結構變化，從而更好地理解材料在特定條件下的穩定性和反應機制。

這些研究不僅僅是技術操作的集合，也嵌入了人工智能的應用。AI 的算法和模型在處理和分析大量實驗數據、預測材料性能以及優化合成路徑方面發揮著關鍵作用。

「這種跨學科的方法使我們能從多個角度和更深層次上探索高熵材料體系，特別是在先進能源材料的開發方面。」該團隊表示。

但是在這一領域，許多理論和模型仍然不夠完善，因此他們期待能通過持續的探索和實驗，逐步揭開這些材料體系的秘密，並推動能源技術的進步。

1.Shuo Liu et al. A general flame aerosol route to high-entropy nanoceramics. Matter(2024). https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.07.019

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