Elementen som utgör nanopartikelkatalysatorn för metalloxid. Kredit:Zhennan Huang
Reza Shahbazian-Yassar, professor i maskin- och industriteknik vid University of Illinois Chicago.
Shahbazian-Yassar och kollegor underlättade utvecklingen av en banbrytande "schweizisk armékniv"-katalysator som består av 10 olika element - som var och en på egen hand har förmågan att minska förbränningstemperaturen för metan - plus syre. Denna unika katalysator kan sänka förbränningstemperaturen för metan med ungefär hälften - från över 1400 grader Kelvin ner till 600 till 700 grader Kelvin.
Deras resultat rapporteras i tidskriften Naturkatalys .
I tidigare publicerad forskning, Shahbazian-Yassar och kollegor visade förmågan att skapa nanopartikelkatalysatorer med flera element, kända som högentropilegeringar med en unik stötvågsteknik. Före detta, materialforskare gjorde inte seriösa försök att skapa nanopartiklar av mer än tre element på grund av tendensen hos varje elements atomer att separera från varandra och bli värdelösa.
Utnyttja den unika realtiden, högtemperatur elektronmikroskopisystem vid UIC, Shahbazian-Yassars team visade att nanopartiklar med hög entropi bestående av 10 metalloxider var mycket stabila vid temperaturer upp till 1, 073 grader Kelvin och de enskilda elementen fördelades jämnt över varje nanopartikel och bildade en enda, stabil kristallin struktur i fast tillstånd.
Deras metalloxidlegering innehöll olika blandningar av övergångsmetaller, som är sällsynta jordartsmetaller, och ädelmetaller plus syre.
"Det är nästan omöjligt att upprätthålla en perfekt blandning av dessa element i en fast fas på grund av skillnaderna i atomradie, kristallstruktur, oxidationspotential, och elektroniska egenskaper hos elementen, sade Zhennan Huang, en Ph.D. student i Shahbazian-Yassars labb och medförfattare i tidningen. "Men vi kunde visa att det här är möjligt."
Reza Shahbazian-Yassar, professor i maskin- och industriteknik vid UIC College of Engineering och Zhennan Huang, en Ph.D. student i Shahbazian-Yassars labb och medförfattare till uppsatsen. Kredit:Jenny Fontaine/UIC
"Bland flera legeringar med flera element som vi skapade, partiklarna gjorda av 10 grundämnen var inte bara mest effektiva för att minska förbränningspunkten för metangas utan också de mest stabila vid dessa temperaturer, sade Shahbazian-Yassar, som är motsvarande författare på tidningen.
Forskarna tror att katalysatorn kan användas för att minska produktionen av skadliga växthusgaser som produceras genom förbränning av naturgas i enskilda hushåll, att driva turbiner och även i bilar som körs på komprimerad naturgas.
