Nanolegeringen met hoge entropie (HENA) hebben wijdverbreide toepassingen in materiaalkunde en toegepaste fysica. Hun synthese is echter een uitdaging vanwege de trage kinetiek die fasescheiding, geavanceerde voorbehandeling van voorlopers en inerte omstandigheden veroorzaakt. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , beschreven Haoqing Jiang en een team van wetenschappers in industriële engineering, nanotechnologie en materiaalwetenschap in de VS en China een proces van het omzetten van metaalzouten in ultrafijne HENA's op koolstofhoudende dragers met behulp van nanoseconde pulslasers. Gebaseerd op de unieke laser-geïnduceerde thermionische emissie en ets op koolstof, verzamelde het team de gereduceerde metalen elementen van ultrafijne HENA's gestabiliseerd via de defecte koolstofondersteuning. Het resulterende proces produceerde een verscheidenheid aan HENA's variërend van 1 tot 3 nanometer en metalen elementen tot 11 gram per uur, met een productiviteit van 7 gram per uur. De HENA's vertoonden uitstekende katalytische prestaties tijdens zuurstofreductie, met een groot praktisch potentieel.

Ontwikkelen van nanolegeringen met hoge entropie (HENA's)

Metaalnanolegeringen vormen cruciale katalysatoren met wijdverbreide toepassingen in chemische reacties in energievelden en milieuwetenschappen. Tijdens conventionele bottom-up technische routes, zoals natte-chemische technieken die door chemici worden ingezet om metalen nanolegeringen te synthetiseren, kan de mengbaarheid van elk metalen element in het fasediagram fasescheiding tijdens de vorming van deeltjes voorkomen. Nanolegeringen met hoge entropie (HENA's) met gelijke stoichiometrische verhoudingen van verschillende metalen binnen elk deeltje, hebben veel belangstelling gekregen vanwege hun ongebruikelijke fysische en chemische eigenschappen. Deze eigenschappen maken ze aantrekkelijke katalysatoren voor zuurstofreductiereacties met ruime toepassingen in verschillende velden. Materiaalwetenschappers hebben aangetoond hoe langzame kinetiek in traditionele methoden het proces uitdaagt, wat leidt tot fasescheiding in nanolegeringen, en hebben een reeks methoden ontwikkeld om deze uitdagingen aan te pakken. In dit werk bespraken Jiang et al de directe fabricage van ondersteunde ultrafijne HENA's op basis van nanoseconde gepulseerde laserreductie van metaalzouten op koolstofhoudende dragers. De ultrasnelle laserreactie ging vooraf aan de fasescheiding van legeringen, om bibliotheken van legeringen te synthetiseren als een eenvoudige en handige methode, vergeleken met eerdere experimenten.

Tijdens de experimenten leverden Jiang et al nauwkeurig laserpakketten met een pulsduur van 5 nanoseconden en een pulsenergie tot 600 mJ aan koolstofhoudende dragers om een ​​duidelijke plasmapluim met elektronenstraalstroom te genereren. De wetenschappers implementeerden een proces in drie stappen; tijdens de eerste stap faciliteerden ze de koolstofhoudende drager om laserfotonen te absorberen om metaalionen en elektronen te genereren, gevolgd door omstandigheden bij hoge temperatuur om de reductie en etsing van de koolstofhoudende drager te initiëren. Ten slotte koelden Jiang et al onmiddellijk de gereduceerde metaalatomen na laserbestraling voor assimilatie in ultrafijne nanolegeringen op de defecte plaats van de koolstofdrager. Het proces leverde HENA's op met uniforme afmetingen en gelijkmatige verdeling op de dragers. Het team noemde dit proces de laser-geïnduceerde thermionische emissiereductie, afgekort als LITER.

Laserbelichting

De LITER-methode (laser-geïnduceerde thermionische emissiereductie) omvatte voornamelijk twee stappen:het laden van metaalzouten op koolstofhoudende dragers om de voorloper te vormen en laserbehandeling op de voorloper. Jiang et al. gebruikten vierlaagse grafeen-ondersteunde HENA's als voorbeelden om de methode te demonstreren. Eerst dispergeerden ze onder roeren een paarlaags grafeenpoeder in het ethanoloplosmiddel met chloridemetaalzouten. Nadat ze het ethanoloplosmiddel onder vacuüm hadden verdampt, verkregen ze de door grafeen gedragen metaalprecursor en laadden deze vervolgens in een glazen flesje om de metaalprecursor te onderwerpen aan laserpulsen van nanoseconden in de lucht. De spotgrootte van de laserpulsen was 5 nm met een laserpulsenergie van 620 mJ. Tijdens laserpulsinteracties vormden ze plasmapluimen met een hoge dichtheid om de grafeenvlokken door de hele container te stuwen. Na laserbestraling absorbeerde de grafeenlaag de laserpuls voor warmteconversie om een ​​lokale omgeving met hoge temperatuur te vormen die geschikt is voor metaalzoutpyrolyse. Na blootstelling aan laser ontleden de metaalzouten snel om metaalatomen te vormen om de vorming van HENA's te vergemakkelijken zonder fasescheiding.

Precursorsynthese en metaalzoutreductie

Vóór de HENA-synthese (high-entropy nanoalloy) ontwikkelden Jiang et al ultrafijne platina-nanodeeltjes op grafeen met weinig lagen met behulp van LITER om laserreductie onder atmosferische omstandigheden te onderzoeken. Om de voorloper te bereiden, nat geïmpregneerd platinatetrachloride (PtCl₄ ) zout op het oppervlak van grafeen met weinig lagen en droogde het monster onder vacuüm om een ​​zwart poeder te verkrijgen. The team loaded this precursor into a glass vial for laser treatment of the product. The laser pulse produced an energy pulse of 620 mJ at a pulse duration of 5 ns, with a spot size of 5 mm and wavelength of 1,064 nm to initiate the reduction of metal salts via laser pulse, and generated a plasma plume. After laser irradiation, they soaked the black powder to dissolve unreacted salts under vacuum drying.

They characterized the product via microscopy to reveal its structure, using scanning electron microscopy to show how the product identified to pristine few-layered graphene and using transmission electron microscopy and high-angle annular dark field images, they revealed the morphology of the product with uniform and even distribution. The uniform nanoparticles formed on graphene also exhibited identical selected-area electron diffraction patterns. Jiang et al. showed that LITER (laser-induced thermionic emission reduction) can be generalized to develop a large variety of nanoalloys on graphene by loading designated metal salts on the precursors as identified using elemental mappings from energy dispersive spectroscopy. The team further studied the stoichiometric ratio and chemical state of the elements in HENAs (high-entropy nanoalloys) using the same technique, as well as X-ray photoelectron spectroscopy to reveal the chemical states of the elements. Jiang et al next conducted electrochemical performance analysis to understand the function of HENAs by fabricating them on carbon nanotubes. They setup a conventional rotating disk electrode to evaluate catalytic performance using linear sweep voltammetry measurements. The team believe that rational screening of HENAs by computer or other methods can lead to the discovery of advanced catalysts with better performance.

Vooruitzichten

In this way, Haoqing Jiang and colleagues described the refinement of uniform high-entropy nanoalloys (HENAs) via the corresponding metal salt precursors under direct laser-induced thermionic emission on graphene, and on carbon nanotubes in nanoseconds. The resulting HENA nanostructures delivered remarkable catalytic performance in oxygen reduction reactions. The laser-induced thermionic emission reduction (LITER) method introduced in this work is an advanced method to mix a variety of elements into ultra-small alloys in a scalable and energy-efficient manner. The scientists envision integrating the rich combination of elements, the ultrafast laser technology and nanoscale features to produce alloy libraries with a variety of properties for widespread applications. + Verder verkennen

Quenching by laser increases graphene quality

© 2022 Science X Network