Новый тип наночастиц сплава оказывается более стабильным и долговечным, чем одноэлементные наночастицы. Катализаторы являются неотъемлемой частью бесчисленных аспектов современного общества. Ускоряя важные химические реакции, катализаторы поддерживают промышленное производство и снижают вредные выбросы. Они также повышают эффективность химических процессов для различных применений - от батарей и транспортировки до пива и стиральных порошков.

Как бы ни были важны катализаторы, то, как они работают, часто остается загадкой для ученых. Понимание каталитических процессов может помочь ученым разработать более эффективные и экономически эффективные катализаторы. В недавнем исследовании ученые из Чикагского Университета Иллинойса (UIC) и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, что во время химической реакции, которая часто быстро разлагает каталитические материалы, определенный тип катализатора демонстрирует исключительно высокую стабильность и долговечность.

Катализаторами в этом исследовании являются наночастицы сплавов или наноразмерные частицы, состоящие из нескольких металлических элементов, таких как кобальт, никель, медь и платина. Эти наночастицы могут иметь множество практических применений, включая расщепление воды для получения водорода в топливных элементах; сокращение углекислого газа путем захвата и преобразования его в полезные материалы, такие как метанол; более эффективные реакции в биосенсорах для обнаружения веществ в организме; и солнечные элементы, которые производят тепло, электричество и топливо более эффективно.

В этом исследовании ученые исследовали" высокоэнтропийные " (высокостабильные) наночастицы сплавов. Группа исследователей, возглавляемая Резой Шахбазян-Ясаром из МСЖД, использовала Аргоннский центр наноразмерных материалов (CNM), офис Министерства науки США, чтобы охарактеризовать состав частиц во время окисления-процесса, который разрушает материал и снижает его полезность в каталитических реакциях.

"Используя просвечивающую электронную микроскопию газового потока (ТЭМ) в CNM, мы можем запечатлеть весь процесс окисления в реальном времени и с очень высоким разрешением", - сказал ученый Боб Сонг из UIC, ведущий научный сотрудник исследования. "Мы обнаружили, что наночастицы высокоэнтропийного сплава способны противостоять окислению гораздо лучше, чем обычные металлические частицы."

Чтобы выполнить ТЭМ, ученые поместили наночастицы в мембрану из нитрида кремния и пропустили различные типы газа через канал над частицами. Пучок электронов исследовал реакции между частицами и газом, обнаружив низкую скорость окисления и миграцию некоторых металлов-железа, кобальта, никеля и меди—к поверхности частиц во время процесса.

"Наша цель состояла в том, чтобы понять, как быстро высокоэнтропийные материалы реагируют с кислородом и как развивается химия наночастиц во время такой реакции",-сказал Шахбазян-Яссар, профессор машиностроения и промышленной инженерии МСЖД в инженерном колледже.

По словам Шахбазяна-Яссара, открытия, сделанные в этом исследовании, могут принести пользу многим технологиям хранения и преобразования энергии, таким как топливные элементы, литий-воздушные батареи, суперконденсаторы и каталитические материалы. Наночастицы также могут быть использованы для разработки коррозионностойких и высокотемпературных материалов.

"Это была успешная демонстрация того, как возможности и услуги CNM могут удовлетворить потребности наших сотрудников", - сказал юзи Лю из Аргонна, ученый из CNM. "У нас есть самые современные средства, и мы также хотим поставить самую современную науку."

ИСТОЧНИК