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《Nature Commun》:单质金属合金化接连组成高熵合金纳米颗粒!

时间: 2024-04-09 00:29:04 |   作者: 产品展示


  高熵合金(HEAs),由五种或更多首要元素以近等摩尔份额组成,已成为当时合金规划中最具革新性的概念之一。很多元素的均匀混合诱发了不同元素之间的协同效应,由此产生了一系列吸引人的功用性质,这些质量适用于广泛的运用领域,如结构合金、催化、传感和能量贮存。

  虽然曩昔十年首要重视批量出产HEAs,但纳米尺度的HEA粒子作为一类新的多功用资料正因其更诱人的特点而锋芒毕露。可扩展且经济可行的HEA纳米粒子(NPs)组成办法特别遭到重视,但是将多种元素操控地合并到一个小于100纳米的粒子中仍然是一个严重应战。

  2018年,一种碳热冲击(CTS)技能被开发用于将多种互不相容的金属元素合并到单个纳米粒子中,并成功展现了含有多达八种元素均匀涣散在导电碳载体上的HEA纳米粒子的组成。虽然CTS技能在操控组成HEA纳米粒子方面展现出了明显的潜力,但该进程仅限于电导性支撑物,并以批量形式运转,因而不适用于HEA纳米粒子的工业规划出产。

  为了战胜这一应战,很多研讨者报导了根据CTS技能的新办法,如微波加热、快速移动床热解和气溶胶办法。最近,还报导了一种脉冲/扫描激光烧蚀办法,并展现了在各种基底上组成高熵资料的才能。但是,原资料一般限于金属盐。蒸汽源技能也供给了构成合金纳米粒子的十分有用的办法。在这种办法中,从纯金属质料的蒸腾构成包括多种元素的混合蒸汽,然后敏捷淬火构成晶体固体。一般运用电弧放电和振动火花放电创立高温环境(4000K)。与CTS相似,这种办法已展现出快速组成各种HEA纳米粒子的巨大潜力。

  但是,大多数进程都是以批量形式运转的。现在的先进的技能仍缺少一种可扩展的组成办法,能够直接从纯元素金属质料混合物接连组成HEA纳米粒子。

  为了处理上述应战,研讨者提出了一种超快(100毫秒)、一步法接连组成HEA纳米粒子的办法,直接用热等离子体射流从纯元素金属粉末混合物中组成。热等离子体射流是具有高温(8000K)和高速的部分电离气体。它们能快速加热质料产生原子级混合的多组分蒸汽,并且能以超高冷却速率105-106K s-1敏捷冷却蒸汽构成固溶粒子。质料能够接连注入,因而这项技能很合适HEA纳米粒子的可扩展组成。

  虽然这项技能具有共同的潜力,但热等离子体射流迄今为止仅用于批量HEAs的处理或预合金化HEA粉末的球化。首要应战将是不同金属蒸汽之间有的大核化温度差;在等离子体射流冷却时,饱满蒸汽压最低的元素首要到达过饱满状况并产生偏析。

  在此,研讨者报告了运用电感耦合等离子体射流(ICPJ)以挨近35 g h−1的高速率组成均匀尺度为50 nm的CrFeCoNiMo HEA NPs。虽然Mo的饱满压力较低,但颗粒内的一切金属元素在原子水平上混合均匀,结晶度好。评论了多种元素以近似等摩尔份额混合,不只增加了混合熵,并且降低了组成元素在蒸汽中的分压(即Pi = Ptotal/N,其间Pi为第i个组成元素的分压,Ptotal为总压,N为组成元素的总数),阻挠了原子核经过均匀凝聚而持续增加为纯金属粒子。这使得HEA NPs的构成即便在存在比较大的成核温度空隙时也是可行的。研讨者还运用均匀成核理论和热流体模仿研讨了反应器几许形状和等离子体气体对NP成长的影响。这种组成道路在HEA NPs的商业规划运用中具有相当大的潜力,其间需求很多的粉末。组成的HEA NPs可作为高性能光热资料用于太阳能搜集,在不含贵金属的情况下,在较宽的光谱范围内取得96%的高吸收率。

  综上,在概念验证演示中,研讨者报告了运用电感耦合等离子体射流(ICPJ)在挨近35 g h−1的高速率下组成均匀尺度为50 nm的CrFeCoNiMo HEA NPs。虽然Mo的饱满压力较低,但颗粒内的一切金属元素在原子水平上混合均匀,结晶度好。研讨者评论了多种元素以近似等摩尔份额混合,不只增加了混合熵,并且降低了组成元素在蒸汽中的分压(即Pi = Ptotal/N,其间Pi为第i个组成元素的分压,Ptotal为总压,N为组成元素的总数),阻挠了原子核经过均匀凝聚而持续增加为纯金属粒子。

  这使得HEA NPs的构成即便在存在比较大的成核温度空隙时也是可行的。研讨者还运用均匀成核理论和热流体模仿研讨了反应器几许形状和等离子体气体对NP成长的影响。这种组成道路在HEA NPs的商业规划运用中具有相当大的潜力,其间需求很多的粉末。组成的HEA NPs可作为高性能光热资料用于太阳能搜集,在不含贵金属的情况下,在较宽的光谱范围内取得96%的高吸收率。(文:水生)