清华团队毫秒脉冲“锁死”高熵碳化物

导语

把 22 种金属塞进一颗 20 nm 的纳米颗粒，还要保证个个单相、不团聚、耐腐蚀——听起来像炼金术？2025 年 8 月 12 日，清华大学刘锴 / 李佳团队在 Nature Synthesis 发表封面论文，用一张碳纳米管薄膜 + 50 ms 电脉冲，把高熵碳化物（HENCs）从 9 元直接干到 22 元，并在 5 A cm⁻² 工业电流下稳定产氢 600 小时。今天，我们用 5 张图、4 个关键点带你拆解这套“纳米限域脉冲合成（NIS）”黑科技。

研究亮点

1. 元素破圈：首次实现 22 元高熵碳化物单相合成，粒径 20 nm，比表面积 230 m² g⁻¹。
2. 速度破纪录：50 ms 升温 2750 K → 10 s 生长 → 10⁴ K s⁻¹ 闪冷，全过程 < 15 s。
3. 性能破表：
   • 全水解 1.58 V@1 A cm⁻² (60 °C, 6 M KOH)
   • 5 A cm⁻² 析氢 600 h 过电位仅↑4.8 %
   • 甲醇氧化质量活性 12.02 A mg⁻¹Pt，是商用 Pt/C 的 7.5 倍
4. 机制透明：同步辐射 + DFT 揭示 W/Ta 协同下移 Pt-d 带中心，*CO 吸附能降 0.38 eV，毒化减缓。

图文解析

图1｜NIS 工艺 vs 传统路线
CNT 薄膜焦耳热实现毫秒级温控，CNT 三维限域抑制团聚；传统碳布因导热差、孔道大，颗粒>100 nm 且易相分离。

图2｜22 元单相验证
EDS 面扫 22 种元素均匀无偏析；XRD 仅见单一 FCC 峰，晶格畸变 < 2°，证明高熵固溶体成功“锁相”。

图3｜原子键合解析
XAFS 显示所有金属均形成 Me–C 键（键长误差 < 0.05 Å），Fe-C 1.97 Å、Ni-C 1.89 Å，排除金属或氧化物夹杂。

图4｜工业级电解性能
• 极化曲线：HER η179 mV@2 A cm⁻²，OER η361 mV@2 A cm⁻²
• 稳定性：5 A cm⁻² 下 600 h 仅衰减 4.8 %；CNT 限域 + 高熵本征耐蚀双保险
• DFT：Pt/Ta 双活性中心 ΔG*H = –0.14 eV，W 诱导 d 带中心下移 0.04 eV，OER 过电位再降 40 mV

图5｜醇氧化抗中毒
MOR 12.02 A mg⁻¹Pt，5000 s 恒电位活性保持 91 %；*CO 吸附能下降 0.38 eV，毒化中间体快速脱附。

总结与展望

NIS 策略用“毫秒高温 + 超快冷却 + 纳米限域”三板斧，一次性解决高熵碳化物“元素少、颗粒大、相不纯”三大顽疾。

下一步：
• 机器学习加速 22 元以上组分筛选，目标 30 元极限；
• 与卷对卷 CNT 薄膜工艺耦合，实现公斤级连续化生产；
• 拓展至氮化物、硼化物，打造极端环境通用催化平台。

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