Le leghe ad alta entropia (HEA) hanno attirato un'attenzione significativa in vari campi grazie alle loro proprietà uniche come elevata resistenza e durezza, nonché elevata stabilità termica e chimica.
A differenza delle leghe convenzionali, che tipicamente incorporano piccole quantità di uno o due metalli aggiuntivi, gli HEA costituiscono una soluzione solida di cinque o più metalli in uguale rapporto atomico. Questa composizione unica si traduce in strutture superficiali uniche e complesse che contengono molti siti attivi diversi adatti per reazioni catalitiche. Di conseguenza, negli ultimi anni, le nanoparticelle HEA (NP) sono state ampiamente studiate per il loro potenziale catalitico.
Tuttavia, nonostante il loro potenziale, le NP HEA non sono mai state utilizzate come catalizzatori per la crescita di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT). Gli SWCNT, tubi su scala nanometrica costituiti da carbonio, presentano proprietà straordinarie come resistenza eccezionale e conduttività termica ed elettrica, che li rendono preziosi in molti campi come componenti di batterie e biosensori per applicazioni biomediche e agricole.
Di conseguenza, c'è un urgente bisogno di metodi di sintesi efficienti per gli SWCNT, che richiedono lo sviluppo di catalizzatori efficaci.
In uno studio pionieristico, un team di ricercatori giapponesi, guidato dal professor Takahiro Maruyama del Dipartimento di Chimica Applicata dell'Università Meijo, ha ottenuto, per la prima volta, la crescita di SWCNT utilizzando NP HEA.
"I CNT hanno un potenziale immenso in numerosi settori. Se riuscissimo a ridurre i costi di sintesi e a ottenere una crescita selettiva degli SWCNT attraverso miglioramenti dei catalizzatori, ciò potrebbe aprire la strada a dispositivi ad alta velocità e vari sensori ottici, rendendo la nostra vita più confortevole", afferma il Prof. Maruyama.
In studi precedenti, il team del Prof. Maruyama è riuscito a far crescere SWCNT utilizzando singoli metalli come iridio, platino e rodio come catalizzatori. Basandosi sulle loro scoperte, in questo studio hanno utilizzato NP HEA costituite da cinque metalli del gruppo del platino (5 PGM), tra cui rodio, rubidio, palladio, iridio e platino.
Il Prof. Maruyama spiega:"Considerando che le NP HEA PGM spesso hanno attività più elevate rispetto ai singoli catalizzatori PGM, abbiamo teorizzato che le NP HEA composte da PGM potrebbero agire come catalizzatori altamente attivi per la crescita degli SWCNT."
Il team ha sintetizzato gli SWCNT attraverso il processo di deposizione chimica in fase vapore (CVD), in cui gli SWCNT vengono coltivati depositando strati di materiali atomo per atomo su una superficie solida sotto vuoto. La CVD è stata effettuata utilizzando l'acetilene come materia prima a 750 0 C per 10 minuti con le 5 PGM HEA NP come catalizzatori. Ciò ha comportato la crescita di SWNCT ad alta densità con lunghezze superiori a 1 micrometro. Inoltre, l'analisi Raman ha mostrato che gli SWNCT avevano diametri compresi tra 0,83 e 1,1 nanometri.
Per confrontare le prestazioni delle NP HEA, hanno anche sintetizzato SWNCT utilizzando i singoli metalli come catalizzatori, insieme a ferro e cobalto, i catalizzatori più comunemente utilizzati per ottenere SWCNT ad alto rendimento nello stesso processo CVD. Gli esperimenti hanno rivelato che l'attività catalitica delle NP HEA era notevolmente superiore a quella dei singoli metalli PGM ed era paragonabile a quella del ferro e del cobalto.
Il team ha attribuito questa elevata attività alla struttura superficiale unica delle NP HEA che forniscono vari siti attivi per la reazione catalitica a causa della diversità della loro struttura atomica.
"I nostri risultati mostrano che 5 PGM HEA NP sono altamente adatti per la crescita di SWNCT di piccolo diametro, rappresentando un abbinamento completamente nuovo tra materiali. Inoltre, date le innumerevoli combinazioni possibili per la composizione HEA, il nostro studio può aprire la strada a catalizzatori ancora superiori ," afferma il Prof. Takamura.
Nel complesso, questo studio dimostra l'efficacia delle NP HEA come catalizzatori per la crescita di SWCNTS di alta qualità, aprendo nuove strade nella ricerca sui nanotubi di carbonio.
La ricerca è pubblicata sulla rivista Applied Physics Express .
Ulteriori informazioni: Tomoki Omae et al, Sviluppo di anodi nanostrutturati Ge/C con uno strato multistacking fabbricato tramite sputtering ad alta pressione di Ar per batterie agli ioni di litio ad alta capacità, Applied Physics Express (2024). DOI:10.35848/1882-0786/ad2785
Fornito dall'Università Meijo
