Это исследование значительно продвинулось по сравнению с предыдущими попытками, которые обычно производили наночастицы, ограниченные всего тремя различными элементами и структурами, которые не смешиваются равномерно. По сути, очень сложно сжать и смешать различные элементы в отдельные частицы в наномасштабе. Команда, в которую входят ведущие исследователи инженерной школы им. А. Джеймса Кларка Мэрилендского университета в Колледж-Парке (UMD), опубликовала рецензируемую статью, основанную на исследовании, опубликованном на обложке журнала Science от 30 марта.
«Представьте элементы, которые объединяются, чтобы образовать наночастицы, как строительные блоки Lego. Если у вас есть только один-три цвета и размера, тогда вы ограничены тем, какие комбинации вы можете использовать и какие структуры вы можете собрать», — объясняет Лянбин Ху, доцент кафедры материаловедение и инженерия в UMD и один из авторов статьи. «Наша команда существенно увеличила игрушечный ящик в синтезе наночастиц; теперь мы можем создавать наноматериалы почти из всех металлических и полупроводниковых элементов».Исследователи говорят, что этот прогресс в нанонауке открывает широкие возможности для широкого спектра приложений, включая катализ (ускорение химической реакции катализатором), накопление энергии (батареи или суперконденсаторы) и био / плазмонную визуализацию, среди прочего.
Чтобы создать наночастицы сплава с высокой энтропией, исследователи использовали двухэтапный метод мгновенного нагрева с последующим мгновенным охлаждением. Металлические элементы, такие как платина, никель, железо, кобальт, золото, медь и другие, подверглись быстрому тепловому удару примерно 3000 градусов по Фаренгейту, или примерно половину температуры солнца, в течение 0,055 секунды. Чрезвычайно высокая температура привела к однородной смеси нескольких элементов. Последующее быстрое охлаждение (более 100 000 градусов по Фаренгейту в секунду) стабилизировало вновь смешанные элементы в однородный наноматериал.
«Наш метод прост, но никто другой не применял его для создания наночастиц. Используя подход физической науки, а не традиционный химический подход, мы достигли чего-то беспрецедентного», — говорит Юнган Яо, доктор философии. студент UMD и один из ведущих авторов статьи.
Чтобы продемонстрировать одно из возможных применений наночастиц, исследовательская группа использовала их в качестве передовых катализаторов окисления аммиака, что является ключевым этапом в производстве азотной кислоты (жидкой кислоты, которая используется в производстве нитрата аммония для удобрений, при производстве пластмасс. , и в производстве красителей). Они смогли достичь 100-процентного окисления аммиака и 99-процентной селективности по отношению к желаемым продуктам с помощью наночастиц сплава с высокой энтропией, что доказало их способность выступать в качестве высокоэффективных катализаторов.
Яо говорит, что еще одним потенциальным применением наночастиц в качестве катализаторов может быть производство химикатов или топлива из углекислого газа.«Потенциальные применения наночастиц сплавов с высокой энтропией не ограничиваются областью катализа. Из-за любопытства между дисциплинами продемонстрированные применения этих частиц станут еще более распространенными», — говорит Стивен Д. Лейси, доктор философии. студент UMD, а также один из ведущих авторов статьи.
Это исследование было проведено в сотрудничестве с несколькими учреждениями группы профессора Лянбинга Ху из Университета Мэриленда, Колледж-Парк; Группа профессора Резы Шахбазиан-Яссар в Иллинойском университете в Чикаго; Группа профессора Джу Ли в Массачусетском технологическом институте; Группа профессора Чао Вана в Университете Джона Хопкинса; и группа профессора Майкла Захарии в Университете Мэриленда, Колледж-Парк.Что говорят сторонние эксперты об этом исследовании:«Это довольно удивительно. Доктор Ху творчески придумал эту мощную технику, карбо-термический ударный синтез, чтобы производить высокоэнтропийные сплавы, содержащие до восьми различных элементов в одной наночастице.
Это действительно немыслимо для синтеза объемных материалов. еще один прекрасный пример нанонауки! »- говорит Пейдун Янг, SK и Анджела Чан, заслуженный профессор энергетики и профессор химии Калифорнийского университета в Беркли и член Американской академии искусств и наук.«Это открытие открывает множество новых направлений. Существуют возможности моделирования для понимания электронной структуры различных составов и фаз, которые важны для проектирования катализаторов следующего поколения.
Кроме того, нахождение корреляций между маршрутами синтеза, составом, фазовой структурой и характеристиками позволяет сдвиг парадигмы в сторону управляемого синтеза », — говорит Джордж Крэбтри, заслуженный научный сотрудник Аргонны и директор Объединенного центра исследований накопления энергии в Аргоннской национальной лаборатории.