Wetenschap
Nieuwe nanodeeltjeskatalysatoren met een hoge entropielegering voor het kweken van koolstofnanobuisjes met hoge dichtheid
Hoge entropielegeringen (HEA's) hebben op verschillende gebieden veel aandacht getrokken vanwege hun unieke eigenschappen, zoals hoge sterkte en hardheid, en hoge thermische en chemische stabiliteit.
In tegenstelling tot conventionele legeringen, die doorgaans kleine hoeveelheden van één of twee extra metalen bevatten, vormen HEA's een vaste oplossing van vijf of meer metalen in gelijke atomaire verhouding. Deze unieke samenstelling resulteert in unieke en complexe oppervlaktestructuren die veel verschillende actieve plaatsen bevatten die geschikt zijn voor katalytische reacties. Als gevolg hiervan zijn HEA-nanodeeltjes (NP's) de afgelopen jaren uitgebreid onderzocht op hun katalytische potentieel.
Ondanks hun potentieel zijn HEA-NP's echter nooit gebruikt als katalysator voor het kweken van enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT's). SWCNT's, buizen op nanoschaal bestaande uit koolstof, vertonen opmerkelijke eigenschappen zoals uitzonderlijke sterkte en thermische en elektrische geleidbaarheid, waardoor ze waardevol zijn op veel gebieden, zoals batterijcomponenten en biosensoren voor biomedische en agrarische toepassingen.
Bijgevolg is er een dringende behoefte aan efficiënte synthesemethoden voor SWCNT's, wat de ontwikkeling van effectieve katalysatoren noodzakelijk maakt.
In een baanbrekend onderzoek heeft een team van onderzoekers uit Japan, onder leiding van professor Takahiro Maruyama van de afdeling Toegepaste Scheikunde van de Meijo Universiteit, voor het eerst de groei van SWCNT's bereikt met behulp van HEA NP's.
"CNT's hebben een enorm potentieel op tal van domeinen. Als we hun synthesekosten kunnen verlagen en selectieve groei van SWCNT's kunnen bereiken door middel van katalysatorverbeteringen, zou dit de weg kunnen vrijmaken voor hogesnelheidsapparaten en verschillende optische sensoren, waardoor ons leven comfortabeler wordt", zegt prof. Maruyama.
In eerdere onderzoeken was het team van prof. Maruyama succesvol in het kweken van SWCNT's met behulp van afzonderlijke metalen zoals iridium, platina en rhodium als katalysatoren. Voortbouwend op hun bevindingen gebruikten ze in dit onderzoek HEA NP's bestaande uit vijf metalen uit de platinagroep (5 PGM), waaronder rhodium, rubidium, palladium, iridium en platina.
Prof. Maruyama legt uit:"Gezien het feit dat PGM HEA NP's vaak hogere activiteiten hebben dan individuele PGM-katalysatoren, theoretiseerden we dat HEA NP's bestaande uit PGM's zouden kunnen werken als zeer actieve katalysatoren voor het kweken van SWCNT's."
Het team synthetiseerde SWCNT's via het chemische dampdepositieproces (CVD), waarbij SWCNT's worden gekweekt door materiaallagen atoom voor atoom op een vast oppervlak in een vacuüm af te zetten. CVD werd uitgevoerd met acetyleen als grondstof bij 750 0 C gedurende 10 minuten met de 5 PGM HEA NP's als katalysatoren. Dit resulteerde in de groei van SWNCT's met hoge dichtheid met lengtes langer dan 1 micrometer. Bovendien toonde Raman-analyse aan dat de SWNCT's diameters hadden tussen 0,83 en 1,1 nanometer.
Om de prestaties van de HEA NP's te vergelijken, synthetiseerden ze ook SWNCT's met behulp van de individuele metalen als katalysatoren, naast ijzer en kobalt, de meest gebruikte katalysatoren voor het verkrijgen van SWCNT's met hoge opbrengst in hetzelfde CVD-proces. Uit experimenten bleek dat de katalytische activiteit van HEA NP’s aanzienlijk hoger was dan die van de individuele PGM-metalen en vergelijkbaar was met die van ijzer en kobalt.
Het team schreef deze hoge activiteit toe aan de unieke oppervlaktestructuur van HEA NP's die verschillende actieve plaatsen bieden voor katalytische reacties vanwege de diversiteit van hun atomaire structuur.
"Onze resultaten laten zien dat 5 PGM HEA NP's zeer geschikt zijn voor de groei van SWNCT's met een kleine diameter, wat een geheel nieuwe matchmaking tussen materialen vertegenwoordigt. Bovendien kan ons onderzoek, gezien de talloze combinaties die mogelijk zijn voor HEA-samenstelling, de weg vrijmaken voor zelfs superieure katalysatoren ”, zegt prof. Takamura.
Over het geheel genomen toont deze studie de effectiviteit aan van HEA-NP's als katalysator voor de groei van hoogwaardige SWCNTS, waardoor nieuwe wegen worden geopend in het onderzoek naar koolstofnanobuisjes.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Express .