Högentropilegeringar (HEA) har väckt stor uppmärksamhet inom olika områden på grund av deras unika egenskaper som hög hållfasthet och hårdhet och höga termiska och kemiska stabiliteter.
Till skillnad från konventionella legeringar, som vanligtvis innehåller små mängder av en eller två ytterligare metaller, utgör HEAs en fast lösning av fem eller fler metaller i lika atomärt förhållande. Denna unika sammansättning resulterar i unika och komplexa ytstrukturer som innehåller många olika aktiva ställen lämpliga för katalytiska reaktioner. Som ett resultat av detta har HEA-nanopartiklar (NP) under de senaste åren studerats omfattande med avseende på deras katalytiska potential.
Men trots sin potential har HEA NP aldrig använts som katalysatorer för att odla enkelväggiga kolnanorör (SWCNT). SWCNT, nanoskaliga rör som består av kol, uppvisar anmärkningsvärda egenskaper som exceptionell styrka och termisk och elektrisk ledningsförmåga, vilket gör dem värdefulla inom många områden som batterikomponenter och biosensorer för biomedicinska och jordbruksapplikationer.
Följaktligen finns det ett akut behov av effektiva syntesmetoder för SWCNT, vilket kräver utveckling av effektiva katalysatorer.
I en banbrytande studie uppnådde ett team av forskare från Japan, ledd av professor Takahiro Maruyama från Institutionen för tillämpad kemi vid Meijo University, för första gången tillväxt av SWCNT med hjälp av HEA NPs.
"CNTs har en enorm potential över många domäner. Om vi kan minska deras synteskostnad och uppnå selektiv SWCNT-tillväxt genom katalysatorförbättringar, kan det bana väg för höghastighetsenheter och olika optiska sensorer, vilket gör våra liv mer bekväma", säger Prof. Maruyama.
I tidigare studier var Prof. Maruyamas team framgångsrika i att odla SWCNTs med hjälp av enstaka metaller som iridium, platina och rodium som katalysatorer. Med utgångspunkt i sina resultat använde de i den här studien HEA NP som består av fem platinagruppmetaller (5 PGM), inklusive rodium, rubidium, palladium, iridium och platina.
Prof. Maruyama förklarar, "Med tanke på att PGM HEA NPs ofta har högre aktiviteter än enskilda PGM-katalysatorer, teoretiserade vi att HEA NPs sammansatta av PGMs kan fungera som mycket aktiva katalysatorer för att odla SWCNTs."
Teamet syntetiserade SWCNT genom den kemiska ångavsättningsprocessen (CVD), där SWCNTs odlas genom att deponera lager av material atom för atom på en fast yta i ett vakuum. CVD utfördes med användning av acetylen som råvara vid 750 0 C i 10 minuter med 5 PGM HEA NPs som katalysatorer. Detta resulterade i tillväxten av SWNCT med hög densitet med längder längre än 1 mikrometer. Dessutom visade Raman-analys att SWNCT:erna hade diametrar i intervallet 0,83–1,1 nanometer.
För att jämföra prestandan hos HEA NP:er syntetiserade de också SWNCT:er med de enskilda metallerna som katalysatorer, tillsammans med järn och kobolt, de mest använda katalysatorerna för att erhålla högutbyte SWCNTs i samma CVD-process. Experiment visade att den katalytiska aktiviteten hos HEA NP:er var avsevärt högre än den hos de individuella PGM-metallerna och var jämförbar med den för järn och kobolt.
Teamet tillskrev denna höga aktivitet till den unika ytstrukturen hos HEA NP som tillhandahåller olika aktiva platser för katalytisk reaktion på grund av mångfalden av deras atomära struktur.
"Våra resultat visar att 5 PGM HEA NP är mycket lämpliga för tillväxten av SWNCTs med liten diameter, vilket representerar en helt ny matchning mellan material. Dessutom, med tanke på de otaliga kombinationerna som är möjliga för HEA-sammansättning, kan vår studie bana väg för till och med överlägsna katalysatorer , säger Prof. Takamura.
Sammantaget visar denna studie effektiviteten hos HEA NPs som katalysatorer för tillväxten av högkvalitativa SWCNTS, vilket öppnar nya vägar inom kolnanorörsforskning.
Forskningen är publicerad i tidskriften Applied Physics Express .
Mer information: Tomoki Omae et al, Utveckling av nanostrukturerade Ge/C-anoder med ett flerstaplingsskikt tillverkat via Ar högtrycksförstoftning för högkapacitets Li+-jonbatterier, Applied Physics Express (2024). DOI:10.35848/1882-0786/ad2785
Tillhandahålls av Meijo University
