Новая технология объединения нескольких металлов в однородно смешанные наночастицы

Ученые из Джона Хопкинса сотрудничали с исследователями из трех других университетов, чтобы объединить почти восемь различных металлов в единые однородно смешанные наночастицы.

Чао Ванг, помощник профессора химической и биомолекулярной инженерии Джона Хопкинса, сыграл ключевую роль в разработке новых наночастиц , (Image credit: Will Kirk / Johns Hopkins University)

Согласно исследованию, опубликованному в сопроводительной статье 30 марта 2018 года, в журнале Science новая технология позволила исследователям объединить несколько металлов, в том числе те, которые обычно не считаются способными смешивания. Исследователи заявили, что этот процесс привел к разработке инновационных и стабильных наночастиц с полезными приложениями в энергетической и химической промышленности.

Несколько промышленных продуктов, таких как пластмассы и удобрения, синтезируются с помощью катализаторов, веществ, ускоряющих химические реакции. В таких процессах наночастицы металлического сплава играют важную роль; однако на сегодняшний день имеется лишь небольшой набор таких частиц из-за ограничений, возникающих при объединении чрезвычайно разных металлов для получения гомогенных сплавов или комбинаций металлов. Проблема имеет тенденцию быть более сложной при сокращении до наномасштаба, необходимого для каталитических применений.

Новая технология включает использование ударных волн для нагрева металлов до исключительно высоких температур, то есть равно или более 2000 К, с чрезвычайно высокими скоростями, нагревания и охлаждения их в течение нескольких миллисекунд. Небольшие капли жидких растворов образуются путем плавления металлов вместе при более высоких температурах. Затем капли быстро охлаждают с образованием однородных наночастиц. Новые материалы, называемые наночастицами с высоким энтропийным сплавом, считаются имеющими широкий спектр применений в качестве катализаторов в химических реакциях, связанных с промышленностью, с возможностью повышения энергоэффективности в процессе производства и минимизации издержек производства.

«[1945902]« Этот метод позволяет новые комбинации металлов, которые не существуют в природе и не сливаются друг с другом », – заявил Чао Ванг, один из соавторов исследования, который является Джоном Хопкинсом Whiting School of Engineering, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии. Ван вместе со своей исследовательской группой разработал пятиметаллический катализатор на основе этих наночастиц с высоким энтропийным сплавом и установил свои превосходные каталитические характеристики при селективном окислении аммиака до оксида азота – реакцию, используемую в химической промышленности для синтеза азотной кислоты, ключ химическое вещество при обширном производстве удобрений и других продуктов.

Исследование, проведенное в лаборатории Ванга, было частью партнерства с сотрудниками MIT, Университета штата Иллинойс в Чикаго и Университета штата Мэриленд, Колледж-Парк. Этот процесс позволяет равномерно комбинировать широкий диапазон металлов, а также позволяет получать сплавы в виде мельчайших частиц, необходимых для каталитического процесса. Обычные методы, которые зависят от сравнительно низкотемпературных и постепенных методов нагрева и охлаждения, обычно приводят к образованию кусков металла вместо отдельных частиц.

. Чтобы развить свои наночастицы, исследователи загрузили соли металлов, синтезируемые взаимодействием между металлом и кислотами, такими как серная кислота и соляная кислота, на углеродные нановолокна, проводящий поддерживающий материал, который обычно используется в катализе. Электрический импульс, подобный короткому замыканию, использовался для активации солей металлов с нагревом, а термодинамические и кинетические свойства смесей контролировались путем регулирования скорости охлаждения.

Беспрецедентные пути реакции и каталитические механизмы разрешены синергическими эффектами среди разнородных металлов. Помимо производства азотной кислоты, команда изучает использование наночастиц в реакциях, таких как удаление оксида азота из выхлопных газов транспортного средства.

Это исследование не получило прямой поддержки финансирования. Команда Johns Hopkins признает внутреннюю поддержку через награду Catalyst и Discovery Awards. Национальный научный фонд (NSF) поддержал приобретение оборудования через грант DMR-0959470. Авторы подтверждают дополнительную поддержку в виде гранта исследовательской инициативы Управления военно-морских исследований, многодисциплинарного университета, Министерства обороны, Национальной академии наук оборонной науки и инженерного образования, а также грантов NSF CMMI-1619743 и DMR 1410636.

Source link