2025年3月13日，华中科技大学材料科学与工程学院姚永刚教授与化学与化工学院夏宝玉教授合作在Nature Synthesis期刊上发表了一篇题为“Roll-to-roll synthesis of multielement heterostructured catalysts”的研究成果。
该成果报道了一种基于金属与碳氧化势差的热力学指导策略，并结合一种新型的卷对卷（roll-to-roll）碳热冲击（carbothermal shock，CTS）技术，实现了多元异构催化剂的快速、宏量制备。
论文通讯作者是姚永刚、夏宝玉；第一作者是石文辉、刘瀚文。
多元异构催化剂在各种工业过程中得到了广泛应用，其中活性纳米颗粒作为主催化剂，调节吸附和关键的反应步，而氧化物载体起着至关重要的作用，它不仅仅是分散和稳定活性颗粒，且其通过强金属-载体相互作用（SMSI），使氧化物作为助催化剂，显著提升了催化剂的活性和稳定性。
尽管在多元合金和氧化物催化剂的开发方面已取得一定进展，但其异质结构中不同热力学相的形成机制以及特定界面的设计仍缺乏深入理解，严重限制了众多有前景催化剂的开发与应用。此外，随着多元体系复杂性的不断增加，以及缺乏高效的规模化制备方法，这一限制愈发突出。
为解决这一难题，研究团队以金属与碳之间的氧化势差作为热力学描述符，指导多元异构催化剂的合成。他们进一步开发了一种卷对卷碳热冲击法（CTS，速度可达约7米/分钟），实现了多元异构催化剂的一步合成与连续制造。
借助高温CTS的优良合金化能力，并在热力学描述符的指导下，团队成功合成了一系列催化剂，包括高熵合金、氧化物及其异质结构。同时，他们展示了对元素分布的精细调控能力，并在Ellingham图识别出不同的元素区域（金属/氧化物/动态可调），从而合理构建多元异构催化剂。
图1：异构催化剂的卷对卷合成。
图2：多元异构催化剂的快速筛选与结构表征。
图3：PtCo@La-TiO2催化剂的HER性能。
图4：多元异构催化剂的热力学指导与通用合成。
图5：多元异构催化剂的动态可调与元素指导图。
这项工作不仅提出了一种针对多元异构催化剂设计的热力学描述符，还开发了一种高效的卷对卷CTS技术，实现了催化剂的快速、大规模制备。该技术为多元异构催化剂的设计和制造提供了新的思路，有望推动其在清洁能源催化领域的广泛应用。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00758-y
