Högentropi nanolegeringar (HENA) har utbredda tillämpningar inom materialvetenskap och tillämpad fysik. Deras syntes är dock utmanande på grund av långsam kinetik som orsakar fassegregering, sofistikerad förbehandling av prekursorer och inerta förhållanden. I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Haoqing Jiang och ett team av forskare inom industriteknik, nanoteknik och materialvetenskap i USA och Kina, beskrev en process för att omvandla metallsalter till ultrafina HENA på kolhaltiga underlag med nanosekundspulslasrar. Baserat på den unika laserinducerade termioniska emissionen och etsning på kol, samlade teamet de reducerade metallelementen av ultrafina HENA stabiliserade via det defekta kolstödet. Den resulterande processen producerade en mängd olika HENA från 1 till 3 nanometer och metallelement på upp till 11 gram per timme, med en produktivitet som når 7 gram per timme. HENA:erna uppvisade utmärkt katalytisk prestanda under syrereduktion, med stor praktisk potential.

Utveckla nanolegeringar med hög entropi (HENA)

Metall nanolegeringar bildar kritiska katalysatorer med utbredda tillämpningar i kemiska reaktioner över energiområden och miljövetenskap. Under konventionella bottom-up-tekniska vägar, såsom våtkemitekniker som används av kemister för att syntetisera metallnanolegeringar, kan blandbarheten av varje metalliskt element i fasdiagrammet undvika fassegregering under partikelbildning. Högentropi nanolegeringar (HENA) med lika stökiometriska förhållanden av olika metaller inom varje partikel, har fått stort intresse på grund av deras ovanliga fysikaliska och kemiska egenskaper. Dessa egenskaper gör dem till attraktiva katalysatorer för syrereduktionsreaktioner med gott om tillämpningar över fält. Materialforskare har visat hur långsam kinetik i traditionella metoder utmanar processen, vilket leder till fassegregering i nanolegeringar, och har utvecklat en rad metoder för att hantera dessa utmaningar. I detta arbete diskuterade Jiang et al den direkta tillverkningen av stödda ultrafina HENAs baserat på nanosekundspulsad laserreduktion av metallsalter på kolhaltiga underlag. Den ultrasnabba laserreaktionen föregick fasseparationen av legeringar, för att syntetisera bibliotek av legeringar som en enkel och bekväm metod, jämfört med tidigare experiment.

Under experimenten levererade Jiang et al exakt laserpaket med en pulslängd på 5 nanosekunder och en pulsenergi på upp till 600 mJ till kolhaltiga stöd för att generera en uppenbar plasmaplym med elektronstråleflöde. Forskarna implementerade en process i tre steg; under det första steget underlättade de det kolhaltiga stödet att absorbera laserfotoner för att generera metalljoner och elektroner, följt av högtemperaturförhållanden för att initiera reduktionen och etsningen av det kolhaltiga stödet. Slutligen kylde Jiang et al omedelbart de reducerade metallatomerna efter laserbestrålning för assimilering i ultrafina nanolegeringar på kolbärarens defekta plats. Processen gav HENA med enhetliga storlekar och jämn fördelning på stöden. Teamet döpte denna process till den laserinducerade termioniska emissionsreduktionen, förkortat LITER.

Laserexponering

Metoden LITER (laserinducerad termionisk emissionsreduktion) inkluderade huvudsakligen två steg:laddning av metallsalter på kolhaltiga underlag för att bilda prekursorn och laserbehandling på prekursorn. Jiang et al använde fyra lager grafenstödda HENAs som exempel för att demonstrera metoden. Först spred de ett fålagers grafenpulver i etanollösningsmedlet med kloridmetallsalter under omrörning. Efter att ha avdunstat etanollösningsmedlet under vakuum, erhöll de den grafenstödda metallprekursorn och laddade den sedan i en glasflaska för att utsätta metallprekursorn för nanosekunders laserpulser i luft. Fläckstorleken för laserpulserna var 5 nm med laserpulsenergi på 620 mJ. Under laserpulsinteraktioner bildade de plasmaplymer med hög densitet för att driva grafenflingorna över hela behållaren. Vid laserbestrålning absorberade grafenskiktet laserpulsen för värmeomvandling för att bilda en lokal miljö med hög temperatur som lämpar sig för metallsaltpyrolys. After laser exposure, the metal salts decomposed rapidly to form metal atoms to facilitate the formation of HENAs without phase separation.

Precursor synthesis and metal salt reduction

Before HENA (high-entropy nanoalloy) synthesis, Jiang et al developed ultrafine platinum nanoparticles on few-layered graphene using LITER to investigate laser reduction under atmospheric conditions. To prepare the precursor, they wet impregnated platinum tetrachloride (PtCl₄ ) salt on the surface of few-layered graphene and dried the sample under vacuum to obtain a black powder. 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.

Outlook

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. + Utforska vidare

Släckning med laser ökar grafenkvaliteten

© 2022 Science X Network