Le nanoleghe ad alta entropia (HENA) hanno applicazioni diffuse nella scienza dei materiali e nella fisica applicata. Tuttavia, la loro sintesi è difficile a causa della cinetica lenta che causa la segregazione di fase, il pretrattamento sofisticato dei precursori e le condizioni inerti. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Haoqing Jiang e un team di scienziati in ingegneria industriale, nanotecnologia e scienza dei materiali negli Stati Uniti e in Cina, hanno descritto un processo di conversione di sali metallici in HENA ultrafini su supporti carboniosi utilizzando laser a impulsi di nanosecondi. Sulla base dell'esclusiva emissione termoionica indotta dal laser e dell'incisione sul carbonio, il team ha raccolto gli elementi metallici ridotti degli HENA ultrafini stabilizzati tramite il supporto di carbonio difettoso. Il processo risultante ha prodotto una varietà di HENA che vanno da 1 a 3 nanometri ed elementi metallici fino a 11 grammi all'ora, con una produttività che raggiunge i 7 grammi all'ora. Gli HENA hanno mostrato eccellenti prestazioni catalitiche durante la riduzione dell'ossigeno, con un grande potenziale pratico.

Sviluppo di nanoleghe ad alta entropia (HENA)

Le nanoleghe metalliche formano catalizzatori critici con applicazioni diffuse nelle reazioni chimiche nei campi dell'energia e nelle scienze ambientali. Durante i percorsi ingegneristici convenzionali dal basso verso l'alto, come le tecniche di chimica umida impiegate dai chimici per sintetizzare nanoleghe metalliche, la miscibilità di ciascun elemento metallico nel diagramma di fase può evitare la segregazione di fase durante la formazione delle particelle. Le nanoleghe ad alta entropia (HENA) con rapporti stechiometrici uguali di vari metalli all'interno di ciascuna particella, hanno suscitato molto interesse a causa delle loro insolite proprietà fisiche e chimiche. Queste proprietà li rendono catalizzatori interessanti per reazioni di riduzione dell'ossigeno con ampie applicazioni in tutti i campi. Gli scienziati dei materiali hanno mostrato come la cinetica lenta nei metodi tradizionali sfidi il processo, portando alla segregazione di fase nelle nanoleghe, e hanno sviluppato una serie di metodi per affrontare queste sfide. In questo lavoro, Jiang et al hanno discusso la fabbricazione diretta di HENA ultrafini supportati basati sulla riduzione laser pulsata di nanosecondi di sali metallici su supporti carboniosi. La reazione laser ultraveloce ha preceduto la separazione di fase delle leghe, per sintetizzare librerie di leghe come metodo semplice e conveniente, rispetto agli esperimenti precedenti.

Durante gli esperimenti, Jiang et al. hanno consegnato con precisione pacchetti laser con una durata dell'impulso di 5 nanosecondi e un'energia dell'impulso fino a 600 mJ su supporti carboniosi per generare un evidente pennacchio di plasma con flusso di getti di elettroni. Gli scienziati hanno implementato un processo in tre fasi; durante la prima fase, hanno facilitato il supporto carbonioso ad assorbire fotoni laser per generare ioni metallici ed elettroni, seguiti da condizioni ad alta temperatura per avviare la riduzione e l'attacco del supporto carbonioso. Infine, Jiang et al. hanno raffreddato istantaneamente gli atomi di metallo ridotti dopo l'irradiazione laser per l'assimilazione in nanoleghe ultrafini sul sito del difetto del supporto di carbonio. Il processo ha prodotto HENA con dimensioni uniformi e distribuzione uniforme sui supporti. Il team ha chiamato questo processo la riduzione dell'emissione termoionica indotta dal laser, abbreviata in LITER.

Esposizione laser

Il metodo LITER (riduzione dell'emissione termoionica indotta dal laser) prevedeva principalmente due fasi:caricamento di sali metallici su supporti carboniosi per formare il precursore e trattamento laser sul precursore. Jiang et al hanno utilizzato HENA supportati da grafene a quattro strati come esempi per dimostrare il metodo. Inizialmente, hanno disperso una polvere di grafene a pochi strati nel solvente etanolo con sali di cloruro metallico sotto agitazione. Dopo aver evaporato il solvente etanolo sotto vuoto, hanno ottenuto il precursore metallico supportato da grafene, quindi lo hanno caricato in una fiala di vetro per sottoporre il precursore metallico a impulsi laser di nanosecondi nell'aria. La dimensione dello spot degli impulsi laser era di 5 nm con un'energia dell'impulso laser di 620 mJ. Durante le interazioni dell'impulso laser, hanno formato pennacchi di plasma ad alta densità per spingere i fiocchi di grafene attraverso l'intero contenitore. Dopo l'irradiazione laser, lo strato di grafene ha assorbito l'impulso laser per la conversione del calore per formare un ambiente locale ad alta temperatura adatto per la pirolisi dei sali metallici. Dopo l'esposizione al laser, i sali metallici si sono decomposti rapidamente per formare atomi di metallo per facilitare la formazione di HENA senza separazione di fase.

Sintesi dei precursori e riduzione dei sali metallici

Prima della sintesi di HENA (nanolega ad alta entropia), Jiang et al hanno sviluppato nanoparticelle di platino ultrafini su grafene a pochi strati utilizzando LITER per studiare la riduzione del laser in condizioni atmosferiche. Per preparare il precursore, hanno bagnato tetracloruro di platino impregnato (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.

Prospettiva

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. + Esplora ulteriormente

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