微/纳米材料超快合成领域高被引研究精选

锂离子电池目前已经被广泛应用于电子产品、电动汽车以及大型储能系统。随着市场的蓬勃发展，面向更高能量密度以及更低成本的锂离子电池的需求迫在眉睫。在实际的锂离子电池应用中，正极材料在整个电池的成本以及能量密度占据核心地位。目前，不同种类的正极材料已经被发展，包括：LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4、三元层状材料LiNixCoyMnzO2和富锂层状材料xLiMO2·(1-x)Li2MnO3 (M=Ni, Co, Mn)。通常这些正极材料通过不同的方法制备，包括固相、溶胶-凝胶、共沉淀、燃烧和喷雾干燥方法。所有这些方法都需要相应的热处理去得到良好的晶型结构。然而传统的合成方法总是经历一个缓慢的升温过程，涉及复杂的多步骤反应过程和迟缓的反应动力学，导致能耗高，时间长。

该研究报道了一种通过非平衡反应合成正极材料的超快高温冲击（HTS）策略，可同时实现高加热速率（~10⁴°C/min）、高煅烧温度、高冷却速率（~10³-10⁴°C/min）及快速反应动力学。其中，典型正极材料LiMn₂O₄的合成过程如下：首先通过典型的燃烧法制备前体，并应用预煅烧工艺在~660 °C下持续~9秒去除前体中的有机成分。然后，将所得产物在~970 °C下煅烧~8秒以生产LiMn₂O₄。与传统合成方法相比，高温超导的非平衡特性可在几秒钟内一步反应合成正极材料，降低了能耗且节省时间。此外，非平衡过程往往会引入氧空位并形成小晶粒，这有利于提高电化学性能。最后，作者利用该方法合成了典型的正极材料，包括LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiFePO₄和富锂层状氧化物/NiO异质结构材料，并展示了优异的电化学性能。

构建用于乙醇氧化反应(EOR)的高效阳极电催化剂是推动直接乙醇燃料电池(DEFCs)广泛应用的关键。贵金属(如Pt和Pd)的碳负载纳米颗粒(NPs)是用于醇类氧化反应(AOR)的最广泛使用的商业催化剂。然而，贵金属催化剂不仅成本高，而且其催化性能和对有毒碳中间体(如CO)的耐受性在长期高效运行中并不理想。因此，合理构建和调控单一贵金属材料的表面微结构，对优化中间体的结合能力，进一步改善其催化特性，加速DEFCs的商业化应用具有重要意义。

本研究通过固态热冲击（TS）策略，成功合成了富含孪晶界（TBs）和原子台阶（ASs）的亚稳态钯纳米颗粒（NPs），并将其锚定在碳基底上（TS-Pd/C）。这种独特的结构设计使得这些纳米颗粒在电催化领域展现出卓越的物理化学特性。分子动力学模拟结果表明，TS合成后的瞬态超冷过程能够有效促进TBs的形成，这对于优化催化剂的表面结构具有重要意义。在碱性溶液中，这些富含TBs和ASs的亚稳态Pd NPs表现出优异的乙醇氧化反应（EOR）催化性能，包括高反应活性、稳定性和对一氧化碳（CO）的耐受性，显著优于商业Pd/C催化剂。第一性原理计算进一步揭示了TBs主导的缺陷结构能够实现CO和OH的最佳吸附位点的空间分离。这种空间分离使得CO能够集中于最佳表面位点，从而最小化中毒活性位点的数量。同时，OH的强吸附作用能够加速EOR过程，进一步提升电催化反应性。这些发现不仅为理解催化剂的微观结构与其宏观性能之间的关系提供了新的视角，也为设计和开发新型高效电催化剂提供了重要的理论基础和实验指导。

电解水是一种有前景的制氢技术，具有反应物易获取，规模化生产可行及产品纯度高等特点越来越受到人们的关注。根据 Sabatier 原理，具有 d9 电子结构的铂(Pt)基金属有着适中的HER(析氢反应)中间反应吸收能并满足酸性介质中的 HER 性能。被认为是最有希望用于电催化水解的催化剂。目前，铂(Pt）基催化剂是最高效的酸性析氢反应电催化剂; 它在碱性介质中的 HER 催化动力学较慢, 这是由于分解水形成氢中间体(Had) 和解吸 Had的步骤缓慢。因此，探索Pt在Had的生成和解吸过程中的最大电位以促进碱性介质中的HER电催化，开发高性能的碱性析氢反应电催化剂是当下电催化领域的一个热点研究方向。纳米材料的晶体结构对于电催化剂的设计至关重要。诱导位错是在纳米材料中产生应变效应以优化晶体和电子结构并改善催化性能的有效方法。然而，在商业主流中产生和保留错位几乎是不可能的。

本研究报道了一种非平衡高温（>1400 K）热冲击方法，成功在Pt纳米晶体（Dr-Pt）中引入了丰富的位错。这种方法在液氮创造的极端环境（约77 K）中进行，利用热和结构应力在结晶过程中瞬间（毫秒级）诱导位错，并通过超快冷却速率将其动力学冻结。这种位错诱导的高能表面结构能够在催化过程中防止表面重构。研究结果表明，这种新颖的极端环境高温热冲击方法不仅能够在Pt纳米颗粒中成功引入丰富的位错，而且显著提升了其在氢气生成反应（HER）中的表现。通过这种创新的方法，Dr-Pt展现出了优化的电子结构和增强的催化活性，这对于提高电催化剂在碱性介质中的HER性能具有重要意义。这一发现不仅为Pt基催化剂的设计提供了新的视角，也为其他金属催化剂的晶体结构优化提供了潜在的策略。通过调控纳米材料中的位错，可以进一步探索和开发更高效的电催化剂，推动氢能源技术的发展。

氢作为具有高能量密度的清洁能源，为可再生能源和传统化石能源带来了机遇，增加了能源的多样化。然而，由于氢气释放反应（HER）固有的动力学迟缓，氢气生产的改善仅限于过电位和稳定性。应变工程可以优化催化剂的电子结构和化学活性，被认为是动力学上增强电化学反应的有效策略。生产应变原子结构的有效方法是制造具有富缺陷原子结构（包括表面）的催化剂缺陷（例如表面空位，掺杂）和块状缺陷（例如位错和晶界）。

本研究成功设计并制备了一种高性能低成本的电催化剂，即通过非稳态热冲击技术在极端环境下制备的位错应变铱镍（IrNi）纳米粒子，负载于碳纳米管海绵（DSIrNi@CNTS），用于电化学制氢中的析氢反应（HER）。实验结果表明，由于超快淬火和原子半径差异，众多位错在自组装的IrNi纳米粒子中被动力学捕获，这些位错在纳米粒子内部引入了应变效应。这种由体缺陷（位错）引起的应变诱导的高能表面结构，在催化过程中更不易发生表面重构。DSIrNi@CNTS催化剂展现出卓越的HER活性，在碱性电解液中仅需17 mV的过电位就能达到10 mA cm−2的电流密度，并具有出色的稳定性，性能超越了现有的Pt/C催化剂。此外，密度泛函理论计算结果表明，位错引入的应变效应可以优化IrNi纳米结构的电子结构，调节HER的自由能至最佳区域。这一发现不仅为开发新型高效电催化剂提供了新思路，也为理解材料缺陷与催化性能之间的关系提供了重要见解。

石墨烯作为一种具有优异导电性、导热性、机械强度和化学稳定性的二维材料，在能源、环境、汽车和航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而，当前石墨烯材料的制备方法存在一些局限性。例如，溶液法制备的石墨烯薄膜往往存在缺陷，导致其导电性和导热性下降。而传统的热还原方法需要高温和复杂的设备，且耗时较长。此外，石墨烯材料在制备过程中容易引入气体或溶剂，难以完全去除，进一步限制了其性能和应用。因此，开发一种高效、可扩展且能够制备高密度、高导电性和高导热性石墨烯材料的新方法具有重要的意义。

该论文研究了一种纳米制造技术，通过在原始石墨烯中创建并修复纳米孔洞，实现了高度密集且高质量石墨烯薄膜和部件的简便、规模化制备。这种方法解决了高质石墨烯的固有不可渗透性难题，使其能够制备出具有高电导率的致密薄膜和厚部件。通过在石墨烯中创建约15纳米直径的孔洞，加速气体或液体的移除，进而制备出致密的带孔石墨烯纳米结构。随后，采用高温处理修复这些纳米孔洞，恢复石墨烯的高质量共轭网络。通过这一过程，制备出了具有2209 S/cm的超高电导率和863 W/mK的优异热导率的致密石墨烯材料。这一独特的加工方法为制备高质量石墨烯结构提供了简便和规模化的途径，有助于其轻松集成到下一代电子电路和高功率电池系统中，实现高效轻量化的热管理。

电解水是一种可持续的氢气生产方式，但其效率受限于氧析出反应（OER）和氢析出反应（HER）所需的电催化剂性能。目前，贵金属催化剂如铂、铑等在HER和OER中表现优异，但其高成本限制了大规模应用。因此，研发高效且成本低廉的双功能电催化剂成为电解水领域的研究热点。

本研究成功开发了一种用于整体水分解的高性能低成本电催化剂，这对于大规模可再生能源转换过程具有重大意义。研究团队报告了一种超快（约7毫秒）高温合成技术，用于制备过渡金属硫化物纳米颗粒。以钴硫化物（CoS）为例，本研究展示了一种新型的核壳结构电催化剂，即钴硫化物@少层石墨烯，其核壳结构中的CoS纳米颗粒直径约20纳米，石墨烯层厚度约2纳米，这些纳米颗粒嵌入在还原氧化石墨烯（RGO）纳米片中。实验结果表明，该材料在整体水分解中展现出卓越的双功能电催化活性和稳定性，其性能可与商业化的40 wt.%铂/碳（Pt/C）电催化剂相媲美。在连续运行60小时后，该电催化剂在低电位约1.77 V下仍能保持10 mA·cm-2的水分解电流密度，且活性没有衰减，这在非贵金属材料基电催化剂中表现尤为突出。本研究不仅为合成高效率的双功能电催化剂提供了一种简单而高效的技术，也为大规模能源转换应用开辟了新的前景。

石墨烯作为一种具有优异电学、热学和力学性能的新型二维材料，近年来在电子、能源、生物医学等领域展现出巨大的应用潜力。氧化石墨烯 (GO) 作为石墨烯的合成前驱体，具有成本低、产量高、易于制备等优点，成为石墨烯研究的热点。然而，GO的还原过程对其导电性和迁移率等性能至关重要。传统的还原方法存在效率低、产率低、难以控制等问题。近年来，随着材料科学和器件物理的不断发展，新型GO还原方法不断涌现，其中基于焦耳加热的还原方法因其高效、可控等优点而备受关注。

该研究报道了一种具有创纪录电导率和迁移率的还原氧化石墨烯（RGO）薄膜。通过在3000 K的高温下利用焦耳加热进行热还原，制得的RGO薄膜电导率达到了6300 Scm^-1，迁移率达到了320 cm^2 V^-1 s^-1。研究采用了两步还原和曲面RGO薄膜的方法克服了焦耳加热热还原过程中的挑战。随着还原温度的升高，含氧官能团逐渐被移除，导致载流子浓度降低，而迁移率和电导率则逐渐提高。此外，该RGO薄膜的石墨sp^2域尺寸达到8.7 nm，超过了之前的报道值。这种RGO薄膜的独特特性，包括缺陷/杂质较少和密集结构中的大石墨sp^2域，使其具有卓越的电导率和迁移率。

集中太阳能和高温废热的发电目前主要限于光伏板和机械热力发动机，其温度限制在1500K以下。高操作温度有利于获得高卡诺效率，能够有效地将热量转换成电力。卡诺效率和功率输出都随着温度升高而增加，然而在更高的温度下，机械热力发动机变得更加复杂。此外，开发柔性的热电（TE）器件，可以轻松集成到大规模制造中。对于涉及聚合物的柔性TE应用，最高工作温度受到更大的限制（≤500K）。因此，开发能够在高温下工作同时保持其柔性和TE性能的新材料具有极大的挑战。

本研究展示了一种基于高温还原氧化石墨烯纳米片的热电转换材料。研究人员在3300 K进行还原处理后，3000K时的纳米片膜的电导率增加到4000 Scm-1且功率因数S2σ高达54.5μWcm-1 K-2。报告测量表征该膜的热电性能高达3000 K。还原石墨烯氧化膜还表现出高的宽带辐射吸收，可以充当辐射接收器和热电发生器。

氢能因其高能量密度和极低的温室气体排放量，被认为是最有潜力的化石燃料替代品。电解水制氢技术是实现氢能利用的关键技术之一，其中电催化剂的性能直接决定了电解效率和水裂解反应的能耗。然而，目前常用的贵金属催化剂（如铂、钯、铑等）价格昂贵，限制了其大规模应用。因此，开发低成本、高效率的非贵金属催化剂成为水裂解研究的热点。近年来，过渡金属硫化物、氧化物等非贵金属催化剂因其优异的性能而备受关注。然而，传统的制备方法通常涉及高温高压，工艺复杂，难以精确控制反应条件，限制了其应用。因此，开发一种简单、高效、通用的纳米金属化合物催化剂制备方法具有重要的意义

本研究介绍了一种利用高温脉冲技术原位合成纳米尺度金属化合物催化剂的新方法。该方法通过快速加热和冷却，实现了大块材料的快速熔化、锚定和重新结晶，从而制备出高纯度的纳米粒子。研究者在工作中成功制备了直径为10-20纳米的钴硼化物（Co2B）纳米粒子，均匀地固定在还原氧化石墨烯（rGO）纳米片上，并展示了优异的电催化性能，适用于氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）。此外，研究者还合成了二硫化钼（MoS2）和氧化钴（Co3O4）纳米粒子，证明了高温脉冲技术是一种普适的方法，可用于制备超细金属化合物纳米粒子。

随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，对高性能电池的需求日益增长。传统的锂离子电池电极材料，如石墨，已经无法满足更高的能量密度和功率密度的要求。因此，科研人员开始探索新型高容量电极材料，例如硅、锡、铝等金属，以及硫、氧等非金属。然而，这些高容量材料在充放电过程中会发生巨大的体积变化，导致电极材料粉化和电极失效。为了克服这一挑战，研究人员将纳米技术应用于电极材料的设计，通过构建纳米结构来缓解体积膨胀带来的负面影响。然而，纳米材料的制备成本高、工艺复杂，限制了其在实际应用中的推广。因此，开发一种快速、低成本、可规模化的纳米电极材料制备方法至关重要。

该研究采用高温辐射热冲击技术，实现了在还原氧化石墨烯（RGO）基体中快速原位合成硅纳米颗粒，制备出高性能的电池负极材料。通过辐射加热，将几微米的硅颗粒在不到一分钟内转化为10-15纳米的纳米颗粒，并嵌入到RGO基体中。这种含超细硅纳米颗粒的复合材料，作为锂离子电池（LIB）的负极，展现出优异的性能。该原位合成纳米颗粒的方法也适用于其他高容量电池负极材料，如锡和铝。由于高温辐射加热过程简便、可扩展，该方法有望应用于卷对卷纳米制造领域。

随着现代照明技术的局限性日益显现，寻找高效、环保、可拓展的新照明方式成为研究热点。传统的荧光灯和白炽灯存在着环境污染和效率低等问题，而LED虽然高效，但难以实现柔性化。近年来，碳材料因其优异的性能，如高熔点、高导电性和高发射率，成为新型照明材料的研究热点。然而，目前碳材料照明器件的研究仍处于起步阶段，其效率、工作温度和柔韧性等方面仍需进一步提升。

本研究介绍了一种由单层石墨烯氧化物（GO）纳米片和10%单壁碳纳米管（CNTs）组成的纳米碳纸。通过独特的两步还原工艺，这种纳米碳纸转化为高导电性的石墨质材料，展现出卓越的照明性能。该材料在真空中的温度可稳定维持在约3000K，远超其他碳基材料，且其超薄、柔性的特点使其成为柔性电子、可穿戴设备和快速高温响应加热器应用的理想材料。

纳米粒子因其独特的尺寸依赖性质，在物理、化学、环境、生物和医疗等领域有着广泛的应用。然而，纳米粒子的合成和组装仍面临许多挑战，尤其是对于非贵金属等高反应性材料而言，表面氧化和团聚现象严重限制了其功能性。目前，纳米粒子的合成方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两种，前者包括球磨、脉冲激光烧蚀沉积、爆炸丝等，后者包括化学和物理气相沉积、液相化学合成等。尽管这些方法取得了成功，但对于高反应性纳米粒子而言，氧化和团聚问题仍然难以克服。因此，迫切需要一种快速、低成本且可扩展的制备均匀分布纳米粒子的方法，尤其是对于能源纳米粒子而言。同时，导电性基质中的纳米粒子在电化学储能、催化和能源设备中应用广泛，导电性基质可以为设备操作提供快速的电子传输。

该研究报道了一种在还原氧化石墨烯膜中实现高度反应性纳米粒子超快速自组装和稳定化的方法。通过在还原氧化石墨烯膜内自组装直径约为10纳米的纳米粒子，整个过程仅需10毫秒。在还原氧化石墨烯中的微米级颗粒通过焦耳加热达到约1700℃的高温，并迅速冷却以保持形成的纳米结构。形成机制可能是微米级颗粒在高温下融化，在还原氧化石墨烯的缺陷处分离，并在冷却过程中自组装成纳米粒子。这种方法可适用于多种材料，如铝、硅、锡等。研究特别展示了这一技术如何用于在还原氧化石墨烯膜中稳定铝纳米粒子，并证明了其作为一种可切换的能源材料具有优良的性能。