双金属纳米粒子(即由两种不同金属组成的微小粒子，表现出几种新的和改进的特性)的发展代表了一个具有广泛潜在应用的新研究领域。现在，马里兰大学 (UMD) 的 A. James Clark 工程学院的一个研究小组开发了一种新方法，用于在纳米尺度上混合通常已知不混溶或不可混合的金属，以创建一系列新的双金属材料. 这样的库将有助于研究这些双金属粒子在各种反应场景中的作用，例如将二氧化碳转化为燃料和化学品。

该研究由胡梁兵教授领导，于2020 年 4 月 24 日发表在《科学进展》上。研究助理杨春鹏担任该研究的第一作者。

“通过这种方法，我们可以使用各种元素快速开发不同的双金属，但具有相同的结构和形态，”胡说。“然后我们可以用它们来筛选反应的催化材料;这样的材料不会受到合成困难的限制。”

纳米结构双金属颗粒的复杂性质使得使用传统方法混合此类颗粒变得困难，原因有多种——包括金属的化学组成、颗粒大小以及金属在纳米尺度上的排列方式。

这种新的非平衡合成方法将铜基混合物暴露在大约 1300 摄氏度的热冲击下 0.02 秒，然后将它们快速冷却至室温。使用如此短的热间隔时间的目的是在室温下快速捕获或“冻结”高温金属原子，同时保持它们的混合状态。通过这样做，研究团队能够制备出一系列均质铜基合金。通常情况下，铜只与少量其他金属(例如锌和钯)混合，但通过使用这种新方法，该团队扩大了可混溶范围，将铜与镍、铁和银也包括在内。

“使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜，我们能够确认形成的 Cu-Ag [铜-银] 双金属纳米粒子的形态 - 材料是如何形成的 - 和尺寸，”杨说。

这种方法将使科学家能够创建更多样的纳米粒子系统、结构和材料，这些系统、结构和材料在催化、生物应用、光学应用和磁性材料中都有应用。

作为快速催化剂开发的模型系统，该团队与特拉华大学教授冯焦合作研究了铜基合金作为一氧化碳还原反应的催化剂。一氧化碳还原 (COR) 的电催化是一个有吸引力的平台，使科学家能够使用温室气体和可再生电能来生产燃料和化学品。

“迄今为止，铜是最有前途的单金属电催化剂，可以将一氧化碳还原为增值化学品，”焦说。“快速合成各种具有均匀结构的铜基双金属纳米合金的能力使我们能够对 COR 和其他催化剂系统的结构-性能关系进行基础研究。”

非平衡合成策略也可以扩展到其他双金属或金属氧化物系统。利用基于人工智能的机器学习，新的合成方法将使催化剂的快速筛选和合理设计成为可能。