2026年2月19日，电子科技大学材料与能源学院夏川课题组在Nature Materials期刊上发表了一篇题为“A molten-salt dispersion of lanthanides at the atomic scale”的研究成果。
该成果报道了一种基于熔融态亚硝酸盐体系（molten-nitrite systems）开发的通用合成法。经过详细的合成机理研究，该方法可以将镧系元素以单原子形态分散在不同载体上。论文通讯作者为夏川教授；第一作者为王昊元博士生。
镧系元素因其独特的电子结构和化学行为，可作为单原子修饰剂来调控电催化性能。然而，由于其高反应活性，超低的还原电位以及其特殊的成键行为，如何在多种基底上实现镧系原子的原子级分散一直是一个巨大挑战。在这项工作中，作者开发了一种基于亚硝酸盐共熔盐的通用合成法，成功将多种镧系元素以单原子形式分散到金属、金属氧化物和碳材料等多种载体上。通过一系列机理研究，揭示了镧系单原子催化剂在熔融亚硝酸盐中形成受到三个关键因素调控：Lux-Flood酸碱效应、传质扩散阻力效应以及熔盐屏蔽效应。作为概念验证，所制备的Dy1/Pt催化剂在酸性析氢反应（HER）展现出仅20 mV的过电位，性能优于商业Pt/C催化剂。该工作为镧系单原子催化剂的合成建立了通用框架，并展现了熔融亚硝酸盐体系作为电催化剂合成的多功能平台的潜在优势。
图1：熔融亚硝酸盐合成策略及镧系原子在不同铜基底上的分散。
为验证合成方法的有效性，作者选择镝作为代表性镧系元素，将其掺杂到三种不同价态的铜基底（Cu、Cu2O和CuO）上。合成过程中，将含有化学计量比的硝酸铜和硝酸镝的前驱体溶液直接注入熔融亚硝酸盐（NaNO2-KNO2共熔盐体系）中，前驱体经历瞬间蒸发并与熔融亚硝酸盐快速反应。经过表征（图1），镝原子以单原子形式均匀分散在三种铜基底上，未观察到聚集的镝物种。
图2：熔融亚硝酸盐中的三种合成机制。
经过研究，熔融亚硝酸盐中纳米材料的合成过程主要受到如下三个因素调控（图2）：
(a)Lux-Flood酸碱效应：实验证明熔融亚硝酸盐比常规熔融硝酸盐具有更强的Lux-Flood碱度，从而提供高浓度的O2-诱导前驱体中金属离子浓度过饱和，通过爆发成核生成更小的纳米颗粒。强Lux-Flood碱度为镝和铜物种的共成核提供了非平衡成核环境，避免了相分离。(b)传质扩散阻力效应：在成核后的生长阶段，熔融盐中铜的饱和浓度较低，有效抑制了Ostwald熟化过程中的Cu2+溶解-沉积平衡。同时，通过调节熔盐粘度，可进一步抑制颗粒生长和团聚。(c)熔盐屏蔽效应：熔融亚硝酸盐在空气中作为屏障隔离了气氛和生成的纳米颗粒，有效保护了易氧化的Cu2O相。而飞溅到坩埚壁上的产物则被氧化为黑色的CuO相。
图3：镝单原子在Pt、Rh、Ir贵金属上的合成。
图4：其他镧系单原子催化剂的普适性合成。
将合成方法扩展至更具挑战性的贵金属基底。一方面利用乙酰丙酮盐在熔盐中可起到还原作用，另一方面利用高粘度熔盐阻碍烧结现象，结合熔盐屏蔽效应，即使在空气中也能形成镧系单原子分散的金属纳米颗粒（图3）。进一步将合成方法扩展至其他镧系元素（La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Ho, Er, Tm, Yb, Lu），成功制备了Ln1/Cu催化剂。同时也可将基底范围扩展至Y2O3、ZnO、Pd、AlOx、RuO2、SnO2、FeOx、Mn3O4以及商业碳黑，HAADF-STEM以及EDS元素分布结果均证实了镧系元素的均匀分布。EXAFS中Ln-Ln配位层的缺失证实了所有样品的单原子结构（图4）。
图5：Dy/Pt在酸性HER中的催化性能。
在0.5 M H2SO4中评估了Dy1/Pt的酸性HER性能。LSV测试显示，Dy1/Pt在10 mA cm-2时仅需20 mV过电位，优于商业Pt/C（27 mV）和纯Pt纳米颗粒（24 mV）。经过DFT计算，Tafel斜率测量和ECSA归一化极化曲线比较，进一步证实了Dy1/Pt的优异本征活性。此外，Dy1/Pt在质子交换膜电解水器件中表现出超过1700小时的优异稳定性（图5）。
综上所述，作者开发了一种通用的熔融亚硝酸盐体系，用于合成镧系单原子催化剂。该方法被证明可高效地在不同价态的氧化物、金属纳米颗粒以及碳基基底上生成镧系单原子掺杂材料。通过系统的机理研究，阐明了Lux-Flood碱度效应、传质扩散阻力效应以及熔盐屏蔽效应等内在合成机制，为优化合成方案并将其扩展到各种目标产物提供了理论指导。作为概念验证，所制备的Dy1/Pt催化剂在酸性HER中表现出优异的性能，突显了熔融亚硝酸盐体系在构建镧系单原子催化剂方面的潜力。从更广泛的角度看，该熔融亚硝酸盐体系具有可调的化学组成、广泛的产物兼容性以及使用简单商业设备的合成便利性，有望在未来实现更广泛的元素选择和定制的纳米结构。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02492-y
