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EMPA:高熵陶瓷用于催化剂领域的研究进展分享

作者:粉体圈 更新时间:2022-08-12 15:24 来源:粉体圈 点击数:2239

近日,瑞士联邦材料测试与开发实验室(EMPA)透露,该组织旗下的一个团队正在生产和研究可用于甲烷合成催化剂的高熵陶瓷材料,并将继续迎接来自高性能电池、超导陶瓷或汽车尾气催化剂和其他化学生产工艺的挑战。

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研究人员利用“分段流管式反应器”开发高熵陶瓷材料

熵稳定材料

熵即是对无序的度量。多数情况下无序是自发增加的,这个过程也就是我们常常听到的“熵增”。而晶体被认为与无序完全相反,在晶体结构中,晶格的所有元素都以尽可能小的体积整齐排列在一起。两个貌似冲突的概念组合在一起,就是近年来才出现的熵稳定材料。2004年,高熵合金(由5种以上元素组元按照等原子比或近等原子比合金化)被开发,它具有高强度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蚀性等传统合金所不能同时具备的优异性能,科学家管这个叫做“鸡尾酒效应”。时间来到2015年,人们发现陶瓷晶体也可以通过“无序的力量”来稳定,高熵陶瓷就此诞生。
高熵陶瓷

目前,Empa研究小组已经成功地将九种不同的原子插入到晶体中。优点是它们即使在高温下也能保持稳定——因为“重新排列”它们会导致更大的秩序。因此,对最大无序的自然追求稳定了不寻常的晶体结构,从而稳定了整个材料。

Empa高性能陶瓷部门的研究员MichaelStuer和AmyKnorpp专注于催化活性材料,比如将二氧化碳和氢气结合形成甲烷,“我们知道,CO2分子在某些表面上的吸附特别好,然后所需的反应就会更容易、更快速地发生,现在我们正试图生产熵晶体,其表面存在如此高活性的区域。

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研究人员用“管状流动反应器”生产他们的晶体混合物

为了加快研究进展,他们在EMPA实验室的帮助下建造了一种特殊的合成装置——分段流管式反应器,可以像在装配线上一样对许多不同的化学混合物一个接一个地进行测试。在装置中,小气泡穿过管子,在其中发生相应的反应。“管流反应器中所有气泡的大小都相同,这就是为什么我们总是为我们的合成提供理想且一致的边界条件,如果我们需要大量的特别有前途的混合物,我们只需用相同的混合物一个接一个地产生几个气泡,再通过各种干燥过程将前体粉末变成所需尺寸和形状的细晶体。”例如,当混合物形成针状晶体,针的长边是低能量的,而针尖的晶体边缘是高能量的。

当前的甲烷合成催化过程,由于沼气中的硫成分污染了催化剂表面或是催化剂表面在高温下发生化学转化,结果导致催化剂会随着时间的推移而减弱。但高熵陶瓷的特性使它不仅表面存在高活性区域,而且耐高温、抗腐蚀,这就是开发它的意义所在。