Le choc à haute température (HTS) est une méthode de synthèse émergente avec des caractéristiques de non-équilibre dominées par la cinétique, qui peut atteindre une vitesse de chauffage/refroidissement ultrarapide d’environ 105 K/s et une température de pointe supérieure à environ 3000 K sur une échelle de temps de secondes ou millisecondes, et est largement utilisé dans la préparation de matériaux à haute teneur en entropie, de phase métastable thermodynamique et de matériaux riches en défauts.
Parmi ces avancées significatives, les alliages nanométriques à haute entropie (HEA) sont particulièrement importants dans les réactions catalytiques hétérogènes avec une activité, une sélectivité et une stabilité remarquables en raison de l’espace de composition flexible et de la structure de mélange à haute entropie. Il existe de nombreux rapports sur l’utilisation des technologies HTS pour fabriquer du HEA et d’autres matériaux à haute entropie ces dernières années; cependant, les stratégies de construction et les fondamentaux physico-chimiques inhérents aux HTS restent encore à résumer et à explorer en profondeur.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Yanan Chen de l’Université de Tianjin et le Dr Ye-Chuang Han de l’Université de Xiamen, en Chine, a présenté les principes physicochimiques du HTS du point de vue « énergie-espace-temps », introduit des technologies représentatives du HTS (par exemple, Chauffage par effet Joule, chauffage par laser, chauffage par micro-ondes), a résumé les avantages du HTS par rapport aux méthodes de chauffage à quasi-équilibre traditionnellement dominées par la thermodynamique (par exemple, four tubulaire et four à moufle) sur les catalyseurs de synthèse.
De plus, les concepts et les caractéristiques de HEA ont été présentés, et les derniers progrès dans la synthèse de HEA utilisant les techniques HTS ont été passés en revue. Enfin, des conclusions et des perspectives ont également été fournies pour les recherches futures sur le HTS et le HEA, ce qui a une grande importance pour guider à la fois le développement théorique et expérimental du HTS et son application dans les préparations contrôlables de HEA. Les résultats ont été publiés dans Journal chinois de catalyse.
Du point de vue « énergie-espace-temps », combinant la loi de conservation de l’énergie et la relation entre la chaleur et la température, les facteurs de la vitesse de chauffage pour HTS peuvent être déduits comme suit : le coefficient d’absorption (ξ), la puissance de l’énergie d’entrée (P) et les caractéristiques naturelles (capacité thermique spécifique (c), masse (m)) des matériaux.
Le coefficient d’absorption est particulièrement lié aux caractéristiques des réactifs et des substrats, à l’environnement de réaction et aux approches de chauffage. De plus, l’énergie d’entrée affecte directement la cible pendant le HTS, par conséquent, le volume de réaction (V) est un paramètre crucial, et la vitesse de chauffage dépend de la densité de puissance (E/t/V), qui est le couplage de l’énergie ( E), l’espace (V) et le temps
Plus la densité de puissance est élevée (signifie plus d’énergie, plus d’espace, plus de temps), plus le taux de chauffage est rapide. Le processus de refroidissement est principalement déterminé par les caractéristiques naturelles des matériaux en raison du manque d’apport d’énergie.
Le HEA présente une excellente activité catalytique et une excellente stabilité en raison de ses quatre effets uniques : entropie thermodynamique élevée, distorsion structurelle du réseau, diffusion lente cinétique et effets « cocktail ». Cependant, les méthodes traditionnelles utilisées pour préparer le HEA ont pour la plupart abouti à des matériaux en vrac de grande taille avec de petites surfaces spécifiques, ce qui entrave considérablement les applications catalytiques.
Le HTS peut inhiber la coalescence et la croissance des nanoparticules de HEA. Les auteurs ont résumé les derniers progrès dans la préparation de HEA et d’autres matériaux à haute entropie utilisant les technologies HTS typiques (chauffage Joule, chauffage laser et chauffage par micro-ondes), ainsi que leurs applications dans les réactions catalytiques.
Enfin, des perspectives ont été fournies à partir des conditions extrêmes de non-équilibre et de l’équipement de HTS, de la conception rationnelle, de la caractérisation avancée et du criblage à haut débit de HEA.
Plus d’information:
Yanchang Liu et al, synthèse de choc à haute température de nanoparticules d’alliage à haute entropie pour la catalyse, Journal chinois de catalyse (2023). DOI : 10.1016/S1872-2067(23)64428-6