Nanocząstki stopów o wysokiej entropii
Nanocząstki stopu o wysokiej entropii (HEA-NP) to nanocząstki zawierające pięć lub więcej pierwiastków stopionych w jednofazowej strukturze roztworu stałego . HEA-NP posiadają szeroką gamę bibliotek składu, odrębną strukturę mieszania stopów i efekt wielkości w nanoskali , co daje im ogromny potencjał w zastosowaniach katalitycznych, energetycznych, środowiskowych i biomedycznych.
Włączanie syntezy
HEA-NP są strukturalnym analogiem do masowych stopów o wysokiej entropii (HEA), ale są syntetyzowane w nanoskali. Tworzenie HEA zwykle wymaga wysokiej temperatury do mieszania wielu pierwiastków; jednak wysoka temperatura działa przeciwko syntezie nanomateriałów z powodu agregacji struktury wywołanej wysoką temperaturą i rekonstrukcji powierzchni.
W 2018 roku HEA-NP zostały po raz pierwszy zsyntetyzowane w drodze syntezy szoku karbotermicznego . (Materiał i technologia są opatentowane.) Szok karbotermiczny wykorzystuje szybkie ogrzewanie w wysokiej temperaturze (np. 2000 K, w 55 ms), aby umożliwić nierównowagową syntezę HEA-NP o jednolitej wielkości i jednorodnym mieszaniu, mimo że zawiera niemieszające się kombinacje. Chociaż szybkie hartowanie jest pożądane, aby utrzymać stan roztworu stałego, zbyt szybkie tempo chłodzenia może utrudniać uporządkowanie strukturalne. Dlatego szybkość chłodzenia należy wybrać ostrożnie w oparciu o wykres przemian temperatury w czasie .
Innym przewodnikiem, który można wykorzystać do syntezy, jest diagram Ellinghama . Elementy na górze diagramu łatwo ulegają redukcji i mają tendencję do tworzenia HEA-NP, podczas gdy elementy na dole diagramu mają tendencję do tworzenia tlenków o wysokiej entropii .
Później wprowadzono również inne podobne metody „szoku” nierównowagowego w celu syntezy HEA-NP i innych typów nanostruktur o wysokiej entropii. Ostatnio wykazano syntezę niskotemperaturową poprzez jednoczesną wymianę wielu kationów (poniżej 900 K) dla NP siarczków metali o wysokiej entropii, które można również stosować do selenków, tellurków, fosforków i halogenków metali.
Analiza strukturalna
Ze względu na losowy rozkład pierwiastków w HEA-NP, oprócz konwencjonalnych metod charakteryzacji , do ich analizy strukturalnej potrzebne są inne metody o wyższej rozdzielczości. Aby przeanalizować losowe mieszanie się wielu pierwiastków, można zastosować atomową tomografię elektronową , która zapewnia dokładność pozycjonowania na poziomie 21 pm i identyfikację atomów według okresów. Co więcej, rentgenowska spektroskopia absorpcyjna może dostarczyć informacji o lokalnych środowiskach koordynacyjnych, podczas gdy rozszerzona absorpcja rentgenowska ma delikatną strukturę można użyć do uzyskania liczb koordynacyjnych i odległości wiązań. W połączeniu z twardą spektroskopią fotoelektronów rentgenowskich lub absorpcją rentgenowską struktury bliskiej krawędzi , analizy te można wykorzystać do zbadania zależności struktura-właściwości w HEA-NP. Ponadto, ze względu na ogromną liczbę możliwości kompozycji i powierzchni (tj. tarasu, krawędzi i narożnika) dostępnych dla HEA-NP, symulacje, takie jak teorii funkcjonału gęstości , są również powszechnie wykorzystywane do ich analizy.
Właściwości i zastosowania
HEA-NP mają dużą bibliotekę składu, która umożliwia dostrajanie składu chemicznego, struktury i powiązanych właściwości. W HEA-NP atomy tego samego typu mogą mieć różną lokalną gęstość stanów, ponieważ sąsiednie składy atomowe mogą być różne. Takie zmiany w lokalnym środowisku prowadzą do zróżnicowanych i regulowanych poziomów energii adsorpcji, co może być korzystne dla spełnienia zasady Sabatiera , zwłaszcza w przypadku złożonych reakcji.
Ponadto, dzięki strukturze o wysokiej entropii, HEA-NP zazwyczaj wykazują lepszą stabilność strukturalną. Jednym z sugerowanych mechanizmów zwiększonej stabilności strukturalnej jest zapobieganie separacji faz z powodu zniekształceń sieci z elementów o różnych rozmiarach, działających jako bariery dyfuzyjne. Dzięki powyższym zaletom HEA-NP zostały wykorzystane jako wysokowydajne katalizatory zarówno w reakcjach termochemicznych, jak i elektrochemicznych, takich jak utlenianie amoniaku, rozkład i rozszczepianie wody. Wdrażane są podejścia o wysokiej przepustowości i eksploracji danych w celu przyspieszonego odkrywania materiałów w wielowymiarowej przestrzeni HEA-NP.