Opbygning af nanolegeringsbiblioteker fra laserinducerede termioniske emissionsreduktionseksperimenter

Højentropi nanolegeringer (HENA) har udbredte anvendelser inden for materialevidenskab og anvendt fysik. Imidlertid er deres syntese udfordrende på grund af langsom kinetik, der forårsager faseadskillelse, sofistikeret forbehandling af prækursorer og inerte forhold. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Haoqing Jiang og et team af forskere inden for industriteknik, nanoteknologi og materialevidenskab i USA og Kina, beskrev en proces med at konvertere metalsalte til ultrafine HENA'er på kulholdige understøtninger ved hjælp af nanosekund-pulslasere. Baseret på den unikke laserinducerede termioniske emission og ætsning på kulstof, samlede holdet de reducerede metalelementer af ultrafine HENA'er stabiliseret via den defekte kulstofstøtte. Den resulterende proces producerede en række HENA'er, der spænder fra 1 til 3 nanometer og metalelementer på op til 11 gram i timen, med en produktivitet på 7 gram i timen. HENA'erne udviste fremragende katalytisk ydeevne under iltreduktion med stort praktisk potentiale.

Udvikling af nanolegeringer med høj entropi (HENA'er)

Metal nanolegeringer danner kritiske katalysatorer med udbredte anvendelser i kemiske reaktioner på tværs af energiområder og miljøvidenskab. Under konventionelle bottom-up ingeniørruter, såsom vådkemiteknikker anvendt af kemikere til at syntetisere metalnanolegeringer, kan blandbarheden af ​​hvert metalelement i fasediagrammet undgå faseadskillelse under partikeldannelse. Højentropi nanolegeringer (HENA'er) med lige store støkiometriske forhold mellem forskellige metaller inden for hver partikel har vundet stor interesse på grund af deres usædvanlige fysiske og kemiske egenskaber. Disse egenskaber gør dem til attraktive katalysatorer til iltreduktionsreaktioner med rigelig anvendelse på tværs af felter. Materialeforskere har vist, hvordan langsom kinetik i traditionelle metoder udfordrer processen, hvilket fører til faseadskillelse i nanolegeringer, og har udviklet en række metoder til at tackle disse udfordringer. I dette arbejde diskuterede Jiang et al den direkte fremstilling af understøttede ultrafine HENA'er baseret på nanosekund pulseret laserreduktion af metalsalte på kulholdige understøtninger. Den ultrahurtige laserreaktion gik forud for faseadskillelsen af ​​legeringer for at syntetisere biblioteker af legeringer som en ligetil og bekvem metode sammenlignet med tidligere eksperimenter.

Under eksperimenterne leverede Jiang et al præcist laserpakker med en pulsvarighed på 5 nanosekunder og en pulsenergi på op til 600 mJ til kulstofholdige understøtninger for at generere en tydelig plasmafane med elektronstrålestrøm. Forskerne implementerede en tre-trins proces; under det første trin gjorde de det lettere for den kulholdige understøtning at absorbere laserfotoner for at generere metalioner og elektroner, efterfulgt af højtemperaturbetingelser for at starte reduktionen og ætsningen af ​​den kulholdige understøtning. Endelig afkølede Jiang et al øjeblikkeligt de reducerede metalatomer efter laserbestråling til assimilering i ultrafine nanolegeringer på defektstedet for kulstofunderstøtningen. Processen gav HENA'er med ensartede størrelser og jævn fordeling på understøtningerne. Holdet kaldte denne proces den laser-inducerede termioniske emissionsreduktion, forkortet som LITER.

Lasereksponering

LITER-metoden (laser-induceret termionisk emissionsreduktion) omfattede overvejende to trin:påfyldning af metalsalte på kulstofholdige understøtninger til dannelse af precursoren og laserbehandling på precursoren. Jiang et al brugte fire-lags grafen understøttet HENA'er som eksempler for at demonstrere metoden. Først spredte de et par-lags grafenpulver i ethanolopløsningsmidlet med chloridmetalsalte under omrøring. Efter at have fordampet ethanolopløsningsmidlet under vakuum, opnåede de den grafen-understøttede metalprecursor og fyldte den derefter i et hætteglas for at udsætte metalprecursoren for nanosekunders laserimpulser i luft. Pletstørrelsen af ​​laserimpulserne var 5 nm med laserpulsenergi på 620 mJ. Under laserpulsinteraktioner dannede de plasmafaner med høj densitet for at drive grafenflagerne hen over hele beholderen. Efter laserbestråling absorberede grafenlaget laserimpulsen til varmekonvertering for at danne et lokalt miljø med høj temperatur, der er egnet til metalsaltpyrolyse. Efter lasereksponering nedbrydes metalsaltene hurtigt for at danne metalatomer for at lette dannelsen af ​​HENA'er uden faseadskillelse.

Precursorsyntese og metalsaltreduktion

Før syntese af HENA (højentropi nanolegering) udviklede Jiang et al ultrafine platinnanopartikler på få-lags grafen ved hjælp af LITER til at undersøge laserreduktion under atmosfæriske forhold. For at forberede prækursoren vådimprægnerede de platintetrachlorid (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. + Udforsk yderligere

Slukning med laser øger grafenkvaliteten

© 2022 Science X Network