01
背景
能源和环境问题在全球引起了越来越多的关注，可持续性和低碳排放被广泛接受。针对这种情况，迫切需要发展可再生能源和环境技术，以补充传统化石燃料的使用。虽然这些技术的进步很大一部分依赖于材料创新，但传统材料合成方法的滞后限制了新材料的发现，极大地阻碍了相关技术的进步。
为了解决这个问题，新兴的超快材料合成被广泛研究。这些超快合成技术可以在短至纳秒的时间内合成材料，显著提高了研究效率。这些超快的独特优势为可再生能源和环境应用带来了好处，并且表现出可扩展性及其潜在的工业应用。
02
文献解读
1. 多元合金超高温熔体打印
与单元素为主的传统合金相比，多元合金（MPEA）具有更好的协同性能。然而，金属3D打印制造MPEA结构材料的多种元素的快速熔化和均匀混合是具有挑战性的，因为很难同时在足够的热源中实现高温和均匀的温度分布。
在此，Wei Xiong和Liangbing Hu教授报道了一种超高温熔体打印方法，该方法可以实现MPEA的快速多元素熔体的均匀混合。在典型的制造过程中，多元素金属粉末被装入高温柱区，通过焦耳加热可加热到3000 K，然后以毫秒的顺序熔化并混合成均匀的合金，我们将其归因于足够均匀的高温加热区。作为概念验证，我们成功地制备了均匀晶粒尺寸的单相散装NiFeCrCo MPEA。这种超高温快速熔融打印工艺为MPEA的3D打印提供了极好的潜力。
图1. 用于多元素混合制备MPEA的超高温熔体打印平台。
a. 用于制造MPEA的多元素金属熔体混合的超高温热浓缩平台示意图。由于加热区域的电阻较高，只有这一区域的碳毡在施加焦耳加热的电压下产生高温。多元素金属粉末连续加载到热浓缩区，其温度可调至3000 K，且温度分布均匀。金属粉末被迅速加热，在几毫秒的时间内熔化，然后合金化成均匀的MPEA。b. 用于多元素金属熔体混合的超高温热浓缩平台照片。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34471-7
2. 在纳秒内合成高熵合金和陶瓷纳米颗粒
第一作者：Bing Wang
通讯作者：Yingfang Yao1; Zhiqun Lin2; Zhigang Zou3
通讯单位：南京大学物理学院生态材料与可再生能源研究中心1；佐治亚理工学院材料科学与工程学院2；南京大学物理学院生态材料与可再生能源研究中心3
高熵材料，包括高熵合金和高熵陶瓷，显示出在许多领域的应用前景，但缺乏稳健的合成策略。在这里，Zhigang Zou团队提出了一种简单而通用的方法，激光扫描烧蚀，合成高熵合金和陶瓷纳米颗粒库。激光扫描烧蚀方法在大气温度和压力下，每个脉冲只需5纳秒即可烧蚀相应的纳米颗粒前体。超快速过程确保了不同的金属元素结合，而不管它们的热力学溶解度如何。由于激光脉冲将能量限制在所需的微区域，激光扫描烧蚀方法将高熵材料纳米颗粒加载在各种基底上，其中包括热敏性基底。作为电催化剂，制备的高熵材料纳米颗粒可实现185 mV@10 mA cm-2的过电位。这种通用的策略能够制备出对一系列领域有用的材料，如生物医学、催化、能量存储和传感器。
图2. LSA法合成HEAs的NPs。a，脉冲光纤激光照射下在己烷中合成AuFeCoCuCr NPs的实验装置示意图。b, AuFeCoCuCr NPs的合成。左图：在LSA过程中CNFs表面发生的反应示意图。右下：生成HEA NPs的反应过程。右上：CNFs上加载的前体。c，脉冲纳秒激光器激光束的高斯能量分布。OS、D、B分别表示激光光斑重叠大小、激光光斑大小(30 μm)、D与OS之差。由于激光光斑的微小尺寸，激光脉冲将能量限制在衬底表面的微区域内。d, 左上：CNFs上加载AuFeCoCuCr NPs的扫描电子显微镜图像。AuFeCoCuCr的透射电子显微镜(TEM)图像。TEM图中所示的NP中Au、Fe、Co、Cu、Cr元素对应的EDS图谱。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s44160-021-00004-1
3. 将废LiNi1-x-yMnxCoyO2阴极回收为锌空气电池的双功能NiMnCo催化剂
第一作者：Miaolun Jiao
通讯作者：Hui-Ming Cheng
通讯单位：清华大学深圳研究院；中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室；中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所
电动汽车用锂离子电池(LIBs)产量的暴涨预示着大量的废旧锂离子电池将被生产出来。然而，传统的火冶法和湿冶法分离过程复杂，限制了废锂的回收利用。这项研究采用快速热辐射法，通过酸浸和辐射加热过程，将LIBs中的废LiNi1-x-yMnxCoyO2 (NMC)阴极转化为高效的NiMnCo基锌空气电池(ZABs)催化剂，避免了不同金属的复杂分离，可以快速合成催化剂。所制备的NiMnCo活性炭(NiMnCo-AC)催化剂具有独特的核壳结构，核心为面心立方Ni，壳层为尖晶石型NiMnCoO4，使NiMnCoO4壳层电子结构重新分布，降低了氧还原反应(ORR)/析氧反应(OER)过程的能垒，保证了较高的电催化活性。以ZABs为正极材料制备的NiMnCo-AC催化剂具有187.7 mW cm−2的高功率密度和0.72 V的低电压间隙，在电流密度为10 mA cm−2时的长循环时间为200 h。本研究为回收废LIB制备ZABs的高效催化剂提供了一种很有前景的策略。
图3. 用废锂制备NiMnCo-AC催化剂的工艺示意图。(A)从耗尽的LIB中回收NiMnCo。将废NMC532阴极溶解在硝酸中，得到混合NiMnCo溶液。然后，将NiMnCo盐加载在AC上制备NiMnCo-AC前驱体。(B)快速热辐射法连续合成NiMnCo-AC催化剂的原理图。NiMnCo-AC前驱体由传送带驱动并通过辐射加热区移动。形成NiMnCo纳米颗粒，并均匀地分散在AC载体表面。
原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2202202119
4. 用于高导电和柔性透明加热器的氮化硼纳米管夹层工程银微电网
第一作者：Kaitlin Wagner
通讯作者：Arnold J. Kell1; Benoît H. Lessard2
通讯单位：安全和颠覆性技术，加拿大国家研究委员会1；渥太华大学化学与生物工程系2
使用柔性透明导电电极(TCEs)作为印刷加热器提供了独特的优势，其中透明度是一个必要的设计特征。然而，许多现有的TCE材料灵活性差，需要复杂的制造工艺，因此在这种应用中不具备商业可行性。作者报道了一层氮化硼纳米管(BNNT)上的可丝网印刷银金属微网格的设计和工艺优化，以生产高导电性和机械稳定性高的透明加热器，具有高透明度和低功耗要求。正方形和六角形几何图形与不同的线宽和间距组合一起进行了研究，以产生16种不同的网格设计，光学透明度在65%和89%之间，电阻值低至2.90 Ω sq−1。在聚对苯二甲酸乙二醇酯基材上的BNNT薄膜涂层通过减少高达400%的变形影响，为加热器结构提供了机械稳定性。BNNT夹层还有助于提高热性能，通过在加热器操作期间启动微电网的电烧结，实现高达74.0 °C的温度，这增加了特征的焦耳加热能力。总的来说，这种物理和材料优化提供了一种低成本、可打印的微电网架构，用于高性能和稳定的应用，如基于TCE的加热器。
图4. A）带干燥BNNT膜SEM图像的槽模涂层工艺示意图，B）丝网印刷工艺，C）UV处理和D）后烧结50/1300平方微网格的热烧结工艺。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/admt.202200037
5. 用于微型超级电容器的金属有机框架电极的激光辅助打印
第一作者：Wang Zhang
通讯作者：Kun Zhou
通讯单位：南洋理工大学南洋环境与水研究所环境过程模拟中心，新加坡3D打印中心，南洋理工大学机械与航空航天工程学院
直接激光刻划是一种先进的打印技术，最近已开发出来，能够以快速、精确和经济有效的方式对碳质前体进行碳化。据报道，利用CO2红外激光系统可以将金属有机框架(MOFs)转化为具有所需结构特征的图案化衍生碳。通过对六种具有代表性的MOFs进行研究，发现MOFs中的金属种类对激光诱导产物的形貌、多孔结构和结晶度起着关键作用。受金属熔点和沸点及其磁性和催化行为的影响，激光诱导MOFs衍生碳具有有序的多孔结构和连续的网状微观结构。此外，作者设计并制备了核-壳结构复合材料(MOF-199@ZIF-67)用于通过激光辅助打印。该电极具有高孔隙度和层次结构，对微超级电容器(MSCs)的比电容有明显提高。这项工作提供了一种补充的热处理方法来生产MOFs衍生的碳纳米材料，具有所需的结构特征和模式，用于MSCs和微器件相关的应用。
03
小结
能源和环境技术进步的瓶颈之一在于材料开发和发现。超快合成技术可以通过丰富的材料库、卓越的合成可控性、优异的材料质量和优异的可扩展性来克服这些限制。值得注意的是，超快合成技术简单且高效，显著提高了实验效率。此外，它们还为研究人员开发先进技术提供了更多空间。
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