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      1. 全球視野 | 科學家首次合成高熵合金納米顆粒 蘊含巨大應用潛力
        2019-02-20 11:30:37 作者:本網整理 來源:《腐蝕防護之友》 分享至:

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           日前,Science 封面文章:介紹科學家發現并制造出蘊含巨大應用潛力的高熵合金(high entropy alloy)納米顆粒。文章說,通過多所大學的合作,科學家找到了一種通用的簡單方法,首次將多種在常識中不能相容的元素在納米尺度進行均勻的分散融合,制備出含有八種元素的單相固溶納米顆粒。這種高熵合金(high entropy alloy)納米顆粒的問世,將極大的拓展納米材料領域的研究和應用范圍。


            理論上來說,將多種性質迥異的元素受控地整合在納米顆粒中,會為納米顆粒的性能帶來更多的變化和可能性。然而,因為元素之間的巨大性質差異,通常情況下納米顆粒的合成與研究大多停留在 1-3 種元素,而且往往還會形成元素或者相分離的結構。因此,在納米尺度控制多種不能相容的元素制備納米顆粒是非常大的挑戰。針對這一問題,馬里蘭大學胡良兵教授課題組與麻省理工大學李巨教授課題組、伊利諾伊大學芝 加 哥 分 校 Reza Shahbazian-Yassar 教授課題組、約翰霍普金斯大學王超教授課題組合作,提出了一種通用且簡單的解決方案,通過對負載中碳納米纖維上的前體金屬鹽混合物進行快速急劇升降溫,可以得到組成、尺寸均可控的多組分高熵合金納米顆粒。相關工作發表在最新一期的 Science 雜志上,并被選為封面文章。


            胡良兵教授說道:“我們可以把這些納米顆粒的元素想象成樂高(Lego)玩具。如果只有1-3種大小或者顏色的拼塊,那最終能得到的組合和可能將很有限。我們的工作就是極大的擴展了納米顆粒組合的選擇范圍。現在,我們幾乎可以合成任意的金屬或半導體納米顆粒。”


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            這種合成高熵合金納米顆粒的策略被稱為“碳熱震蕩法(carbothermalshock)”,通過簡單的兩步快速急劇升降溫完成。預先混合好的各種金屬鹽的前驅體負載到碳納米纖維上,然后進行高溫(約 2000 K)快速急劇升溫降溫處理(約持續 55 毫秒,升降溫速率100,000 K/s,圖 2B)。在高溫下,金屬鹽的前驅體迅速分解形成液態金屬,混合均勻;快速的降溫使得各種元素來不及擴散即被“凍結”在納米顆粒中,形成均勻混合的高熵合金納米顆粒。例如, 鉑(Pt)、 鈀(Pd)、 鎳(Ni)、鈷(Co)、 鐵(Fe)、 金(Au)、 銅(Cu)、錫(Sn)這八種金屬元素的原子半徑、還原電勢、優選晶體結構、熔點等性質有很大差異,通常方法很難形成固溶體,但該研究團隊使用碳熱震蕩法就很容易地制備了八元高熵合金納米顆粒(圖 2D)。而且,通過調整碳熱震蕩法的參數,包括溫度、處理時間、升降溫速率等,研究團隊可以很好地控制納米顆粒的化學成分、尺寸大小、以及相組成(固溶體或者相分離)。


            李巨教授解釋道:“高溫條件下,碳的代謝(氧化)反應主導了這些‘鮮活' 的金屬催化劑高速的運動、分裂、合并,最終形成了遠遠超過常規方式的均勻納米顆粒,而且高度可調。”


            這些納米顆粒有望在催化、能源存儲、生物成像、等離子體成像等方面找到應用。例如,研究團隊合成的五元合金顆粒在氨氧化反應中展現了極高的催化性能:100% 轉化率以及 >99% 產物選擇性,并且比常規催化劑的貴金屬用量更少,反應活化溫度更低。


            王超教授評論道:“這個方法使得我們可以得到自然界不存在或者不相容的金屬組合,使得我們可以大范圍的調節催化材料的成分去得到最好的催化性能。這些顆粒可以廣泛應用于儲能和化學催化轉化方面。”


            Reza Shahbazian-Yassar教授說:“在這些多元合金中,充分理解原子和晶體結構有助于調節合成條件以便達到最好的性能。未來對于高熵合金納米顆粒的結晶和生長過程將進行深入的原子級研究,這將會非常有趣。”


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            同期 Science 雜志還刊登了印第安納大學伯明頓分校的 Sara Skrabalak 教授為此篇文章撰寫的論述文章“Mashingup metals with carbothermal shock”。Sara Skrabalak 教授高度評價了這一工作,稱道:“合成這些成分是非常有挑戰性的,因為常規的方法已經不適用了。高熵合金納米顆粒使得納米尺度的研究可以有更復雜多變的成分選擇,蘊含巨大的應用潛力。”


            這一工作也得到了其他科學家們的關注。


            美國藝術與科學院院士、加州大學伯克利分校化學系教授楊培東評論道,“這真是太神奇了。胡博士創新性的提出這個非常強大的方法——碳熱震蕩法,可以合成具有八種不同元素的高熵合金納米顆粒,這在塊體材料制備領域是不可想象的。這一工作又一次證明納米科學之美!”


            阿貢國家實驗室榮譽研究員、阿貢國家實驗室能源存儲中心主任 GeorgeCrabtree 博士認為,“這個發現開創了很多的新方向。可以通過模擬的手段去理解這些復雜成分的電子結構,以便指導設計下一代的催化劑。同時,發現合成方式、成分、相結構以及性能之間的關系,也可推動整個設計合成領域的發展。


            相關知識鏈接:


            高熵合金是一種合金,一般可以被定義為由五個以上的元素組元按照等原子比或接近于等原子比合金化。它是基于 20 世紀 90 年代大塊非晶合金的開發的情況下提出的。高熵合金具有一些傳統合金所無法比擬的優異性能,如高強度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻、高電阻等,從而成為在材料科學和凝聚態物理領域中繼大塊非晶之后一個新的研究熱點。有人曾預言,未來幾十年內,最有發展潛力的三大研究熱點是大塊非晶合金、復合材料和高熵合金。

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