Højentropi nanopartikler lover for katalytiske applikationer

Legering er et magisk trick, der bruges til at fremstille nye materialer ved synergistisk at blande mindst to metalliske elementer for at danne en solid opløsning. Den seneste udvikling inden for videnskab har fundet store anvendelser af legeringsmaterialer i katalyse, for hvilke bi- eller trimetalliske partikler på nanometerskala bruges til at accelerere hastigheden af ​​kemiske reaktioner. Men anvendelsen af ​​legeringer som katalysatorer er begrænset af såkaldt "blandbarhed, "da ingen vilkårlig kombination af elementer kan danne en homogen legering, hverken for robust tuning af forholdet mellem de to komponenter.

Rapporteret i Naturkommunikation denne uge, et forskerhold ledet af Johns Hopkins University-forskeren Chao Wang, arbejder med samarbejdspartnere fra University of Maryland, University of Illinois i Chicago, og University of Pittsburgh, afsløret en ny metode til at bryde igennem denne begrænsning. I dette arbejde, de blander Co og Mo, to elementer, der sjældent er blandbare, men hvilken kombination menes at være vigtig for at katalysere energirelevante kemiske reaktioner, såsom nedbrydning af ammoniak. I stedet for direkte at blande dem sammen, Chao og hans team tilføjede yderligere tre ingredienser, Fe, Ni og Cu, som alle er jordrige overgangsmetaller. Når de fem grundstoffer samles i en partikel på nanometer stor, der dannes en enkelt homogen fast opløsning, der muliggør inkorporering af Co- og Mo-atomer i forskellige forhold. Forskere kalder denne gruppe af materialer "højentropi legeringer."

"Tricket bag er at øge uorden, tilfældighed af den måde, metalatomerne stiller op i legeringskrystallerne, " forklarer Wang, en adjunkt i afdelingen for kemisk og biomolekylær teknik ved Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

Den mængde, der beskriver dette fænomen, kaldes "entropi" i fysik. De quinære legeringsnanopartikler skabt af Wang og hans team viser sig at have højere entropi end konventionelle, relativt simple bi- eller tri-metalliske legeringer. I denne unikke tilstand, de atomare karakteristika af forskellige grundstoffer gengives og bliver lettere at blande.

De højentropi legerede nanopartikler menes at have et stort potentiale til katalytiske applikationer.

"Nu hvor vi kan lave legerede nanopartikler af grundstoffer, som man tidligere mente var ublandbare, vi er i stand til at skabe nye, hidtil usete katalysatorer med optimale overfladeadsorptionsegenskaber til målrettede reaktioner, " sagde Pengfei Xie, en postdoc i Wangs laboratorium, og førsteforfatter af Naturkommunikation papir.

Forskerne demonstrerede de quinære Co-Mo-Fe-Ni-Cu legering nanopartikler som fremragende katalysatorer til at bryde den kemiske binding mellem nitrogen- og brintatomer i ammoniak, en vigtig måde at frigive brint fra dette flydende kemikalie til at fodre brændselsceller og drive fremtidige elektriske køretøjer.