Hochentropielegierungen (HEAs) haben aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie hoher Festigkeit und Härte sowie hoher thermischer und chemischer Stabilität in verschiedenen Bereichen große Aufmerksamkeit erregt.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen, die typischerweise kleine Mengen eines oder zweier zusätzlicher Metalle enthalten, bestehen HEAs aus einer festen Lösung von fünf oder mehr Metallen im gleichen Atomverhältnis. Diese einzigartige Zusammensetzung führt zu einzigartigen und komplexen Oberflächenstrukturen, die viele verschiedene aktive Zentren enthalten, die für katalytische Reaktionen geeignet sind. Infolgedessen wurden HEA-Nanopartikel (NPs) in den letzten Jahren umfassend auf ihr katalytisches Potenzial untersucht.
Trotz ihres Potenzials wurden HEA-NPs jedoch nie als Katalysatoren für das Wachstum einwandiger Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) verwendet. SWCNTs, nanoskalige Röhren aus Kohlenstoff, weisen bemerkenswerte Eigenschaften wie außergewöhnliche Festigkeit sowie thermische und elektrische Leitfähigkeit auf, was sie in vielen Bereichen wie Batteriekomponenten und Biosensoren für biomedizinische und landwirtschaftliche Anwendungen wertvoll macht.
Daher besteht ein dringender Bedarf an effizienten Synthesemethoden für SWCNTs, was die Entwicklung wirksamer Katalysatoren erforderlich macht.
In einer bahnbrechenden Studie gelang einem Forscherteam aus Japan unter der Leitung von Professor Takahiro Maruyama vom Fachbereich Angewandte Chemie der Meijo-Universität erstmals das Wachstum von SWCNTs mithilfe von HEA-NPs.
„CNTs bergen in zahlreichen Bereichen ein enormes Potenzial. Wenn wir ihre Synthesekosten senken und durch Katalysatorverbesserungen ein selektives Wachstum von SWCNTs erreichen können, könnte dies den Weg für Hochgeschwindigkeitsgeräte und verschiedene optische Sensoren ebnen und unser Leben komfortabler machen“, sagt Prof. Maruyama.
In früheren Studien war das Team von Prof. Maruyama erfolgreich bei der Züchtung von SWCNTs unter Verwendung einzelner Metalle wie Iridium, Platin und Rhodium als Katalysatoren. Aufbauend auf ihren Erkenntnissen verwendeten sie in dieser Studie HEA-NPs, die aus fünf Metallen der Platingruppe (5 PGM) bestehen, darunter Rhodium, Rubidium, Palladium, Iridium und Platin.
Prof. Maruyama erklärt: „Angesichts der Tatsache, dass PGM-HEA-NPs häufig höhere Aktivitäten aufweisen als einzelne PGM-Katalysatoren, haben wir die Theorie aufgestellt, dass aus PGMs bestehende HEA-NPs als hochaktive Katalysatoren für das Wachstum von SWCNTs fungieren könnten.“
Das Team synthetisierte SWCNTs durch den Prozess der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), bei dem SWCNTs durch atomweises Abscheiden von Materialschichten auf einer festen Oberfläche im Vakuum gezüchtet werden. CVD wurde unter Verwendung von Acetylen als Ausgangsmaterial bei 750 °C für 10 Minuten mit den 5 PGM-HEA-NPs als Katalysatoren durchgeführt. Dies führte zum Wachstum hochdichter SWNCTs mit Längen von mehr als 1 Mikrometer. Darüber hinaus zeigte die Raman-Analyse, dass die SWNCTs Durchmesser im Bereich von 0,83–1,1 Nanometern hatten.
Um die Leistung der HEA-NPs zu vergleichen, synthetisierten sie auch SWNCTs unter Verwendung der einzelnen Metalle als Katalysatoren, neben Eisen und Kobalt, den am häufigsten verwendeten Katalysatoren zur Gewinnung von SWCNTs mit hoher Ausbeute im selben CVD-Prozess. Experimente ergaben, dass die katalytische Aktivität von HEA-NPs deutlich höher war als die der einzelnen PGM-Metalle und mit der von Eisen und Kobalt vergleichbar war.
Das Team führte diese hohe Aktivität auf die einzigartige Oberflächenstruktur von HEA-NPs zurück, die aufgrund der Diversität ihrer Atomstruktur verschiedene aktive Zentren für katalytische Reaktionen bereitstellen.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass 5 PGM-HEA-NPs hervorragend für das Wachstum von SWNCTs mit kleinem Durchmesser geeignet sind, was eine völlig neue Verbindung zwischen Materialien darstellt. Darüber hinaus kann unsere Studie angesichts der unzähligen möglichen Kombinationen für die HEA-Zusammensetzung den Weg für noch bessere Katalysatoren ebnen.“ „, sagt Prof. Takamura.
Insgesamt zeigt diese Studie die Wirksamkeit von HEA-NPs als Katalysatoren für das Wachstum hochwertiger SWCNTS und eröffnet neue Wege in der Kohlenstoffnanoröhrenforschung.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Angewandte Physik Express.
Mehr Informationen:
Tomoki Omae et al., Entwicklung nanostrukturierter Ge/C-Anoden mit einer durch Ar-Hochdrucksputtern hergestellten Mehrfachstapelschicht für Li+-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität, Angewandte Physik Express (2024). DOI: 10.35848/1882-0786/ad2785