【应用分享】焦耳热驱动秒级高温合成碳负载高熵氧化物纳米颗粒用于高稳定氧还原电催化-天津中环电炉股份有限公司

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【应用分享】焦耳热驱动秒级高温合成碳负载高熵氧化物纳米颗粒用于高稳定氧还原电催化

2026-10-10

DOI：/10.1002/adfm.202010561

研究背景

碳负载纳米颗粒是燃料电池、电解器和金属-空气电池等电化学能量转换与存储装置中广泛应用的高效电催化剂，但实际应用要求其同时具备高活性和长期稳定性；然而，传统碳负载电催化剂在长期运行中易与含氧中间体作用而发生结构变形、非晶化和元素偏析，且纳米颗粒与碳基底之间界面结合较弱，容易脱落、迁移和团聚，导致性能衰减。高熵氧化物因其多金属阳离子单相结构和熵稳定效应，有望提升化学与结构稳定性并拓展组成调控空间，但其合成通常需要高温以实现原子半径、价态和氧化电位差异显著的多种元素均匀混合，而传统长时间高温处理又会造成纳米颗粒严重团聚以及碳基底与氧化物之间的碳热还原，难以与碳基底兼容。因此，本文的核心问题是如何在碳基底上可控合成均匀分散、单相稳定的高熵氧化物纳米颗粒，在避免碳热还原和颗粒团聚的同时增强界面结合与熵稳定效应，从而实现兼具高活性和长期稳定性的氧还原电催化性能。

研究方法

一、实验方法

1.使用碳纸作为加热元件，将多种金属盐按等摩尔比溶于乙醇，配成0.025 mol/ L^-1 前驱体溶液；与商业碳黑Vulcan XC72混合，目标负载约20wt%；

2.粉末均匀铺在碳纸加热元件上，施加瞬态电流，快速高温加热约1400K，1s；

结果：形成单相尖晶石HEO纳米颗粒，粒径约9nm，均匀分散在碳纸上。

对照组样品：五元体系(Cu,Ni,Co,Fe,M)₃O_4-x

1.管式炉加热：1073K，Ar气氛，2 h

结果：XRD 和 TEM 显示氧化物被还原，颗粒严重团聚。

2.马弗炉加热：573 K，空气，2 h

结果：无法形成单相结构。

二、表征结果

1.ORP催化性能

1)电化学测试条件

电解液：0.1M KOH；

O₂ 饱和；

旋转速率：1600 rpm；

扫描速率：20 mV s^-1；

电压归一化至RHE。

2）性能对比

2.稳定性与机理

1)计时电流法：0.60V vs RHE，1600 rpm，O₂ 饱和 0.1 M KOH；

2)加速循环伏安：0.6–1.0V vs RHE，50 mV s^-1，500 圈。

焦耳热的影响

焦耳热远平衡条件：以远平衡高温短时加热同时解决 HEO 高温合成需求与碳基底易被还原、颗粒易团聚的矛盾，是获得高活性、高稳定性碳负载高熵电催化剂的关键。

结论

采用电焦耳热驱动的远平衡合成方法（约1400 K、约1 s、快速淬火）可在商业碳黑上均匀负载粒径约7 nm、单相结构且元素均匀混合的高熵氧化物纳米颗粒；在十金属（Hf、Zr、La、V、Ce、Ti、Nd、Gd、Y、Pd）高熵氧化物10-HEO/C中，Pd是主要ORR活性位点，其他元素通过协同作用和熵稳定效应维持单相基体并提升稳定性。该催化剂在0.1 M KOH中ORR的半波电位达0.85 V，0.85 V下Pd质量电流密度达0.49 A mg_Pd⁻¹，远高于Pd/C、PdO/C和商业Pd/C，并遵循4电子反应路径；稳定性方面，10-HEO/C在12 h和100 h后分别保持92%和86%的初始电流，而商业Pd/C在12 h后仅保留76%，且反应后10-HEO/C仍保持均匀分散和元素均匀分布。因此，快速高温焦耳热合成与高熵设计协同增强了纳米颗粒与碳基底之间的界面结合及熵稳定效应，避免了碳热还原和颗粒团聚，为开发高活性、长期稳定的碳负载高熵电催化剂提供了可行路线。

中环电炉焦耳热快烧炉系列

焦耳热快烧炉是一种多用途的新型快速超高温烧结设备。利用通电碳材料的焦耳加热形成高温场，获得超快升降温速率和超高烧结温度，可在数分钟内实现实现材料的快速合成和烧结，抑制低熔点组分的高温挥发，减少副反应或交叉扩散，抑制晶粒长大，并可制备复杂几何形状材料等。广泛适用于陶瓷材料、固态电解质、氧化物燃料电池材料、金属纳米催化材料、石墨烯及纳米材料、高熵合金及高熵化合物等领域。

优越性能：

▶ 先进碳质加热器：支持最高3000℃

▶ 超快升温速率：10-500℃/s

▶ 自定义程序控温