高通量納米沉積系統(tǒng)在加速電催化劑篩選中的應用及實驗步驟詳解
堿性水電解作為一種重要的電化學反應，可作為大規(guī)模產生氫氣的可行候選方式（僅次于質子交換膜）。通過對水電解催化劑進行篩選，可制備與傳統(tǒng)方式相比更為高效的電極材料，從而確定下一步研發(fā)所需的材料體系。
為此，Avantium Chemicals BV 與荷蘭 VSParticle 公司合作，基于火花燒蝕納米印刷沉積系統(tǒng)和電化學高通量篩選裝置組合進行了堿性水電解催化劑的篩選實驗。經過驗證，這一裝置組合能夠在工業(yè)化電流密度下的流體動力學條件下制備和篩選電極材料。這表明該裝置不僅適用于篩選最佳催化劑和穩(wěn)健的催化劑制備，而且還可用于優(yōu)化更大規(guī)模的實驗。
用于快速篩選電催化劑的高通量電化學平臺
Part 1 實驗內容介紹
在該實驗中，研究人員利用火花燒蝕技術生成具有催化活性的納米粒子，并通過惰性載氣將其傳輸并直接沉積到電極上。這種方法的優(yōu)勢在于納米顆粒的表面不與封端劑或配體發(fā)生反應，因此它們可以輕松地附著在電極襯底上，而無需使用濕法沉積所需的粘合劑、后處理或其他流程。
可通過改變 8×8 電極矩陣中的兩個參數來進行實驗：一是通過調節(jié)火花納米顆粒催化劑發(fā)生器的相對功率來改變 Fe/Ni 比率，二是通過控制沉積時間來調節(jié) Ni 和 Fe 納米粒子混合膜在鍍鎳基底上的膜厚度。值得一提的是，火花放電的燒蝕速率與輸入功率成正比。此外，火花燒蝕與納米材料打印的結合還使我們能夠以可控、快速、精準的方式改變其他參數，例如顆粒尺寸、薄膜形態(tài)以及單個顆粒的成分。
火花燒蝕技術可以產生 20000K 的高溫放電通道，使靶材材料跨越液化過程從而實現直接氣化。
電化學裝置
系統(tǒng)由 64 個平行板電化學流通池組成，陽極室和陰極室之間通過膜隔開。這些單元可以采用矩陣尋址方法進行順序或批量并行操作，從而最小化成本并實現向更大電極矩陣的擴展。
串聯運行：電解液被泵擠入第一個通道，再從那里進入第二個通道，依此類推，然后從第八個通道流出，一次測量一個電池。
并行流運行：其中一個傳入流被分成八個流，并引入每個分通道。此配置用于半并行操作，可同時測量八個電池。
火花燒蝕納米印刷沉積系統(tǒng)
催化劑篩選效率受多種因素制約，其中包括高通量篩選系統(tǒng)和多組分催化劑快速合成的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)化學方法在電催化劑合成方面面臨著困難，因為電催化劑通常涉及多種比例的金屬和氧化物組合，需要進行多批次的合成。此外，由于篩選過程中使用的催化劑量較少，每次合成都會產生大量浪費。此外，可重復合成多種組分的電催化劑也是一個重要指標。
采用火花燒蝕技術的方法，可以快速制備多種納米級金屬、合金和氧化物顆粒催化劑，催化劑初始粒徑可控制在 0-20nm 范圍內（可參考文章：《閃電也能制備納米材料，火花簡史Ⅰ》）。結合干法沖壓沉積模塊，即可在任意平面基底表面實現選區(qū)薄膜打印沉積（可參考文章：《VSPARTICLE 干法納米打印技術，加速材料研發(fā)進程》）。
在這個方案中，研究者使用兩臺納米顆粒催化劑發(fā)生器 VSP-G1 分別制備 Ni 和 Fe 催化劑，并調節(jié)它們的生成比例，然后在 64 個 dots 上沉積了多種組分的催化劑。
利用兩臺納米顆粒催化劑發(fā)生器混合 Ni/Fe 催化劑后使用氣溶膠沉積打印在 8×8 陣列樣品池中
堿性電解水測試
在堿性水電解實驗中，只有電池電位一個輸出變量。通過在八種不同的沉積時間中沉積八種不同比例的鎳和鐵納米粒子，使用火花燒蝕制備了 64 個不同比例的陽極催化劑（而陰極則使用鎳）。在電解液（30% KOH）中，陽極和陰極之間通過增強聚苯硫醚（PPS）膜隔開并循環(huán)。當電流密度增加到 200 mA/cm² 后，電池電位通常在兩小時內穩(wěn)定在 2.3 至 2.6 V。
堿性水電解實驗中使用的納米顆粒沉積物的參數水平。通過調節(jié)兩臺發(fā)生器的相對功率來改變沉積物中的 Ni / Fe 比，保持總功率恒定
實驗采用半平行配置，同時測量 8 個電極。陽極電解液和陰極電解液流道中的八個流是通過使用 1-8 歧管和八個毛細管產生的，以產生 0.6 bar 的壓降，從而在所有八個通道中產生相等的流量。在去除異常值后，繪制了穩(wěn)定電池電勢與兩個不同參數的關系圖（見下圖 A 和 B）。從圖中可以看出，電勢隨著納米顆粒催化劑組合物中的鎳含量（即產鎳發(fā)生器的輸出功率）線性增加，同時隨著沉積時間的增加呈對數減少，直至達到 160 秒后再次開始增加。圖 C 中的等值線圖更清楚地顯示了這種現象，可以發(fā)現在電池電位為 2.35V 的最佳催化劑沉積條件區(qū)域（鎳含量為 0% 時，即鐵含量為 100%）的沉積時間約為 100 秒。
A,B 去除異常值后的電位變量圖。C 等高線圖顯示電池電位隨 Ni / Fe 發(fā)生器功率比和沉積時間的變化。
小結
測試數據顯示，Ni / Fe 比率和沉積時間對電池電位有顯著影響。隨著鎳納米粒子的百分比增加，電勢增加，但性能下降得越明顯。此外，較長的沉積時間導致較低的電池電位，但在一定的沉積時間范圍內，電池電位會再次增加。結果表明，隨著鐵含量的增加，鐵納米顆粒覆蓋了鎳層，改善了催化作用，但過多的鐵會導致催化效率下降。
總的來說，結合電化學篩選平臺和火花燒蝕沉積技術，可以有效地對電解水制氫催化劑進行篩選。這一方法不僅能夠優(yōu)化催化劑的性能，還能為催化劑的生產和更大規(guī)模的測試提供重要支持。
Part 2 材料的 AI 時代已經來臨
人工智能正在引發(fā)材料研發(fā)的新革命。谷歌旗下的 Graph Networks for Materials Exploration（GNoME）在 2023 年年底發(fā)布了一項研究，成功尋找到了 38 萬余個熱力學穩(wěn)定的晶體材料。這一成果相當于為人類增加了 800 年的智力積累，極大地加快了發(fā)現新材料的研究速度。
科技巨頭們已經看準了相同的技術路線：（1）首先，他們通過理論計算獲取材料科學數據；（2）然后，利用高通量計算生產海量數據；（3）接著，將這些數據輸入到人工智能模型中進行訓練；（4）最后，利用這些訓練有素的模型推理未知材料的性能。這種整合了理論計算、高通量計算和人工智能的方法極大地加速了材料研發(fā)過程，為新材料的發(fā)現和應用提供了更廣闊的可能性。
GNoME 數據集宣稱找到了 384781 種熱力學穩(wěn)定的無機材料，大部分來自人類很少涉足的元素組合，且大部分是金屬化合物。
電催化劑的開發(fā)越來越依賴于低成本材料體系開發(fā)和合成技術的進步。因此，利用高通量方法實現材料的自動化、可重復生成，可以進一步幫助大模型的訓練和學習。在宏觀尺度上，金屬存在不互溶的現象，但在更小的納米及原子尺度上，存在著更多可能的合金材料。VSParticle 采用的火花燒蝕放電技術能夠實現原子及納米尺度的材料混合，而且在僅更換靶材的情況下就能夠實現多種材料體系的合成。這種方法也有效地解決了傳統(tǒng)化學合成效率低、可重復性差的問題，從而進一步推動了大數據模型的自主學習效率。
火花燒蝕技術可以產生多種組分納米顆粒，是無機納米材料大數據模型建立的重要參考技術之一
同時 VSParticle-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)，可以實現具有獨特性能的無機納米結構材料的打印直寫或沉積，并可提供打印不同成分和厚度的納米多孔層的選項，可廣泛應用于電催化，傳感器，線路互聯，增強拉曼等領域。
參考文獻
【1】 Becker R, Weber K, Pfeiffer T V, et al. A scalable high-throughput deposition and screening setup relevant to industrial electrocatalysis[J]. Catalysts, 2020, 10(10): 1165.
【2】 A. Merchant, S. Batzner, S. S. Schoenholz, M. Aykol, G. Cheon, and E. D. Cubuk, “Scaling deep learning for materials discovery,” Nature, vol. 624, no. 7990, pp. 80–85, Dec. 2023, doi: 10.1038/s41586-023-06735-9.
