Автор AZoNano 5 января 2021 г.

Катализаторы являются частью многих аспектов современного общества. Они ускоряют важнейшие химические реакции, поддерживая промышленное производство и сводя к минимуму вредные выбросы.

Они повышают эффективность химических процессов в различных областях, от транспорта и аккумуляторов до стирального порошка и пива.

Хотя катализаторы имеют решающее значение для различных процессов, то, как они работают, по большей части остается загадкой для исследователей. Понимание каталитических процессов может позволить исследователям создавать более эффективные и экономичные катализаторы.

В рамках нового исследования исследователи из Университета Иллинойса в Чикаго (UIC) и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, что в химической реакции, которая обычно быстро разрушает каталитические материалы, особый вид катализатор демонстрирует очень высокую долговечность и стабильность.

Новые исследованные катализаторы представляют собой наночастицы сплавов – наноразмерные частицы, состоящие из нескольких металлических элементов, таких как медь, никель, кобальт и платина.

Эти наночастицы могут найти множество практических применений, таких как расщепление воды для производства водорода в топливных элементах, уменьшение углекислого газа путем улавливания и преобразования его в полезные материалы, такие как метанол; высокоэффективные реакции в биосенсорах для обнаружения веществ в организме и солнечные элементы, которые более эффективно производят электричество, тепло и топливо.

В ходе исследования исследователи изучали «высокоэнтропийные» (высокостабильные) наночастицы сплава. Под руководством Резы Шахбазиана-Яссара из UIC они использовали Аргоннский центр наноразмерных материалов (CNM), пользовательское учреждение Министерства энергетики США, чтобы определить состав частиц во время окисления – процесса, посредством которого материал разлагается, и его полезности в каталитических целях реакции снижает.

Используя просвечивающую электронную микроскопию потока газа (TEM) в CNM, мы можем зафиксировать весь процесс окисления в реальном времени и с очень высоким разрешением. Мы обнаружили, что наночастицы сплава с высокой энтропией способны противостоять окислению намного лучше, чем обычные металлические частицы .

Боб Сонг, ведущий научный сотрудник Иллинойского университета в Чикаго

Исследователи выполнили ПЭМ, встраивая наночастицы в мембрану из нитрида кремния и заставляя различные типы газа проходить через канал и над частицами. Электронный луч использовался для исследования реакций между газом и частицами, которые показали низкую скорость окисления и миграцию определенных металлов – кобальта, железа, меди и никеля – на поверхности частиц во время процесса [].

Наша цель состояла в том, чтобы понять, как быстро материалы с высокой энтропией реагируют с кислородом и как химический состав наночастиц развивается во время такой реакции .

Шахбазиан-Яссар, профессор машиностроения и промышленной инженерии, Инженерный колледж Иллинойского университета, Чикаго

Шахбазиан-Яссар добавил, что результаты этого исследования могут быть полезны для различных технологий хранения и преобразования энергии, таких как топливные элементы, каталитические материалы, литий-воздушные батареи и суперконденсаторы. Более того, наночастицы можно даже использовать для создания жаропрочных и устойчивых к коррозии материалов.

Это была успешная демонстрация того, как возможности и услуги CNM могут удовлетворить потребности наших сотрудников. У нас есть самое современное оборудование, и мы также хотим доставлять новейшие научные достижения .

Юйцзы Лю, ученый, Центр наноразмерных материалов, Аргоннская национальная лаборатория

Соавторы исследования: Йонг Ян из Университета Мэриленда; Музтоб Раббани, Тимоти Янг и Виссам Саиди из Университета Питтсбурга; Кун Хэ, Сяобин Ху и Винаяк Дравид из Северо-Западного университета; Ифэй Юань из МСЖД; и Панкадж Гильдиял и Майкл Захария из Калифорнийского университета

Это исследование частично финансировалось Национальным научным фондом и Управлением науки Министерства энергетики США.

Видео просвечивающей электронной микроскопии, выполненной на CNM в Аргонне, показывающее, что окисление высокоэнтропийных наночастиц на воздухе при 400 ° C ускоряется в четыре раза. Процесс окисления изображен растворением краев наночастиц на видео. Видео предоставлено: Университет Иллинойса.

Ссылка на журнал:

Сонг, Б., и др. . (2020) In situ Исследования окисления наночастиц высокоэнтропийных сплавов. САУ Нано . doi.org/10.1021/acsnano.0c05250.

Источник: https://www.anl.gov/[19459008visible