Инженеры теперь могут комбинировать до восьми разных металлов в единую однородную смешанную частицу, размер которой составляет 100 нанометров или меньше.
«Этот метод позволяет создавать новые комбинации металлов, которые не существуют в природе и не сливаются друг с другом», - говорит Чао Ванг (Chao Wang), доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета Джонса Хопкинса и соавтор исследования, журналу Science.
Исследователи говорят, что стабильные новые наночастицы будут полезны в химической и энергетической отраслях.
Катализаторы, вещества, ускоряющие химические реакции, помогают сделать многие промышленные продукты, такие как удобрения и пластмассы. Для таких процессов критичны наночастицы металлического сплава размером от примерно 1 до 100 нанометров.
Ограничения возникают при объединении чрезвычайно разных металлов для образования однородных сплавов. Проблема была еще более сложной, когда дело доходило до уменьшения до микроскопических наномасштабов, необходимых для каталитических применений.
Новый метод использует ударные волны для нагрева металлов до чрезвычайно высоких температур - 2000 градусов по Кельвину и выше - исключительно быстрыми темпами, как нагрев, так и охлаждение в течение миллисекунд. Исследователи расплавляли металлы вместе, чтобы образовать небольшие капли жидких растворов при высоких температурах, которые затем быстро охлаждались для образования однородных наночастиц.
Традиционные методы, основанные на относительно медленных и низкотемпературных методах нагрева и охлаждения, часто приводят к образованию сгустков металла вместо отдельных частиц.
Исследователи ожидают, что новые материалы, известные как наночастицы высокоэнтропийных сплавов, повысят энергоэффективность при производстве и снизят издержки производства.
Исследовательская группа Wang разработала пятиметаллический катализатор, демонстрирующий превосходные каталитические характеристики для селективного окисления аммиака в оксид азота. Эта реакция выдает азотную кислоту, важный химикат при крупномасштабном производстве удобрений и других продуктов.
Для создания своих наночастиц исследователи погружали соли металлов, которые образуются путем реакции между металлом и кислотами, такими как соляная или серная кислота, на углеродное нановолокно, проводящий вспомогательный материал, обычно используемый в катализе. Они использовали электрический импульс, подобный короткому замыканию, чтобы сокрушить соли металлов с помощью тепла и контролировали кинетические и термодинамические свойства смеси, регулируя скорость охлаждения.
Синергические эффекты среди разнородных металлов допускают беспрецедентные каталитические механизмы и пути реакций. В дополнение к производству азотной кислоты исследователи изучают использование наночастиц в реакциях, таких как удаление оксида азота из выхлопных газов автомобилей.
Это исследование получило поддержку от Университета Джонса Хопкинса, Национального научного фонда США, Министерства обороны США и Управления военно-морских исследований.
Работа в лаборатории Чао Ванга была частью сотрудничества с коллегами из Университета штата Мэриленд, Университета штата Иллинойс в Чикаго, Массачусетского технологического института.
Работа исследовательской группы описана в новом исследовании, опубликованном в журнале Science.
Источник: Futurity / Johns Hopkins University
