Progrès récents des alliages à haute entropie pour catalyseurs : synthèse, applications et perspectives (2023)

Le verre métallique à haute entropie (HEMG) est un nouveau type de matériau métallique avec une composition semblable à un alliage à haute entropie et une structure amorphe, qui confère aux HEMG des comportements de formation de verre inhabituels et des propriétés uniques. Ces dernières années, des progrès rapides de la recherche ont été observés sur les HEMG, et une revue systématique est donc nécessaire. Dans cette revue, nous introduisons d'abord le concept des HEMG et résumons les HEMG développés. Ensuite, la capacité de formation de verre des HEMG est discutée et les règles générales sont proposées. En se concentrant sur la stabilité thermique des HEMG, l'effet de l'entropie sur les états énergétiques des HEMG et le comportement de cristallisation des HEMG sont discutés. Enfin, les propriétés mécaniques, magnétiques, catalytiques et autres des HEMG sont présentées, ainsi que les avantages et les inconvénients des HEMG. Cet examen peut servir de guide rapide pour une vue d'ensemble du domaine HEMG.

Les alliages à haute entropie (HEA), également connus sous le nom d'alliages à plusieurs composants principaux, possèdent une gamme de propriétés attrayantes qui ne peuvent pas être atteintes par les alliages traditionnels en raison de leur structure atomique désordonnée. Les HEA sont de nouveaux matériaux qui ont été développés ces dernières années et présentent des propriétés exceptionnelles qui surpassent les alliages traditionnels. Les HEA présentent des caractéristiques telles que l'effet d'entropie élevée, l'effet de diffusion lente, l'effet de distorsion du réseau et l'effet "cocktail". Ces propriétés ont un potentiel infini pour que les HEA deviennent la prochaine génération de matériaux électrocatalytiques. Ici, nous passons en revue les propriétés de la définition de base des HEA, mettons en évidence les dernières méthodes de synthèse pour produire des HEA à l'échelle nanométrique et explorons les progrès de la recherche sur les catalyseurs à l'échelle nanométrique des HEA dans diverses réactions électrochimiques.

L'identification des conditions de traitement optimales est nécessaire pour le développement de nouveaux matériaux. Les courbes d'écoulement peuvent être utilisées pour développer la carte de traitement d'un alliage. L'étude actuelle a formé plusieurs modèles d'apprentissage automatique tels que Random Forest Regressor (RFR), K Nearest Neighbors (KNN), Extra Tree Regressor (ETR) et Artificial Neural Network (ANN) pour prédire le comportement d'écoulement du matériau. Le test R²un score d'ajustement de plus de 0,99 a été obtenu pour les quatre algorithmes, et des modèles entraînés ont été utilisés pour générer les courbes d'écoulement à diverses combinaisons de taux de déformation de température pour CoCrFeNiTa_0,395alliage eutectique à haute entropie. Une carte de traitement a été développée en utilisant les résultats de l'ANN et validée avec les observations expérimentales de la microstructure.

L'ablation laser en liquide (LAL) est un processus de chauffage et de refroidissement rapide qui permet la formation d'une variété de nanomatériaux. Des études LAL approfondies pour les métaux, les semi-conducteurs, les isolants et les carbones ont été rapportées. De plus, les alliages sont une cible intéressante pour étudier l'applicabilité de LAL. Nous rapportons le LAL de l'alliage à entropie moyenne FeCoNi équiatomique (MEA) dans l'eau à l'aide d'un laser picoseconde UV à taux de répétition élevé avec un scanner galvanométrique. Les spectres d'extinction de la solution colloïdale, la morphologie, la composition élémentaire et la distribution de taille des nanoparticules MEA (NP) ont été étudiés en fonction du temps d'irradiation laser, de la puissance laser et de la vitesse de balayage. La microscopie électronique a révélé que des superstructures en forme de chaîne de plus de 10 µm constituées de NP sphériques FeCoNi à noyau MEA-core Fe-shell d'environ 50 nm de diamètre se formaient. Ces superstructures ne provenaient pas de l'agglomération des NP lors de la préparation des échantillons pour la microscopie ou de l'irradiation laser successive des colloïdes, mais de l'ablation par surimpression sur la surface cible. En général, la cible LAL a été irradiée par des impulsions laser proches de l'infrarouge ou du visible spatialement et temporellement séparées pour produire efficacement des NP. La surimpression d'impulsions laser UV ultracourtes s'est avérée être une stratégie précieuse pour modifier la composition élémentaire des NP MEA et pour former leurs superstructures.

Les nanoparticules d'alliage à haute entropie peuvent améliorer considérablement la production d'hydrogène catalytique en tant qu'électrocatalyseur à faible coût et peuvent potentiellement jouer un rôle important dans le développement de l'énergie hydrogène. Pour obtenir des structures de réseau avec des résolutions de largeur plus élevées et des sites plus actifs, un modèle de sonde à double pointe avec différents rapports d'aspect nominaux a été développé à l'aide de méthodes de dynamique moléculaire, et des études ont été menées sur la variation de hauteur nominale de l'écartement de la sonde, la variation de largeur et l'usinage. variation d'angle. Les résultats montrent que lorsque la limite de rapport d'aspect d'usinage est inférieure à 0,7 et que le rapport d'aspect nominal est inférieur à 2, une structure de rainure uniforme et cohérente et une structure de bosse complète et ininterrompue peuvent être obtenues, et la distribution des défauts des deux côtés de le palpeur est quasiment symétrique, améliorant ainsi les propriétés mécaniques de la structure usinée. Il est possible d'améliorer l'écoulement de la matière avec des pointes doubles et d'obtenir des structures en bosse avec différentes morphologies en faisant tourner le traitement angulaire. Cette étude permet d'obtenir des structures de bosse continues et des réseaux de nanorainures parfaitement symétriques, ce qui est important pour promouvoir l'application pratique des sondes structurées.

Ce travail étudie la microstructure formée dans les soudures par friction-malaxage des alliages FCC, en se concentrant sur deux alliages multi-principaux : un alliage CoCrFeMnNi à haute entropie (HEA) et un alliage CoCrNi à entropie moyenne (MEA). Un acier inoxydable commercial AISI 304 est utilisé à titre de comparaison. La plus grande pépite s'est formée dans le MEA, tandis que la plus petite s'est formée dans le HEA. Le raffinement du grain se produit dans la zone agitée de toutes les soudures. La recristallisation dynamique discontinue est le mécanisme de restauration prédominant lors du soudage par friction-malaxage des trois alliages étudiés. Une forte diminution de la fraction limite Σ3 se produit dans la zone agitée des soudures AISI 304 et HEA, tandis que des valeurs comparables avec le métal de base sont trouvées pour la soudure MEA. Le pic de l'indice maximal de texture cristallographique est observé du côté avançant de la zone agitée de la soudure AISI 304. Une forte texture de fibres <001>θ est formée du côté avançant de la pépite dans l'AISI 304 à partir d'une texture bien établie de type {123}<634>S dans le métal de base. Plusieurs composants de texture cristallographique sans fibres spécifiques sont identifiés dans la plupart des régions des soudures, indiquant l'historique complexe du chemin de cisaillement pendant le soudage par friction-malaxage.

Nano Énergie, Volume 88, 2021, Article 106261

Les alliages à haute entropie (HEA) quasi équimolaires et non équimolaires ayant cinq composants principaux ou plus ainsi que leurs sites mélangés sur la surface en ont fait des matériaux uniques pour diverses réactions catalytiques impliquant des énergies renouvelables. Les HEA fournissent une plate-forme pour ajuster la microstructure et la chimie de surface en sélectionnant et en contrôlant les éléments, ouvrant des perspectives pour concevoir de nouveaux matériaux pour la catalyse. La présente perspective vise à fournir la corrélation entre la structure des HEA et les performances catalytiques dans diverses applications avec des vues sur les défis et les opportunités uniques. La curiosité scientifique et technologique doit creuser profondément dans l'espace des phases multicomposants pour découvrir divers nouveaux matériaux aux propriétés catalytiques uniques.

Documents écrits, Volume 138, 2017, pp. 22-27

Des alliages à haute entropie contenant 5 et 6 métaux du groupe du platine ont été préparés par décomposition thermique de précurseurs à source unique ne nécessitant pas d'alliage à haute température ou mécanique. L'Ir préparé_0,19Os_0,22Concernant_0,21Rh_0,20Ru_0,19L'alliage est le premier exemple d'un alliage monophasé hexagonal à haute entropie. Le traitement thermique jusqu'à 1500K et la compression jusqu'à 45GPa n'entraînent pas de changements de phase, une stabilité en température et en pression record pour un alliage monophasé à haute entropie. Les alliages présentent une activité électrocatalytique prononcée dans l'oxydation du méthanol, ce qui ouvre la voie à l'utilisation d'alliages à haute entropie comme matériaux pour la conversion d'énergie durable.

Journal of Materials Science & Technology, Volume 93, 2021, pp. 110-118

Les propriétés des alliages à haute entropie (HEA) dépendent de leurs structures de phase et de leurs compositions. Cependant, il est difficile de contrôler la composition des HEA qui contiennent des métaux hautement volatils par la méthode classique de fusion à l'arc. Dans cet article, la phase cubique à faces centrées (FCC) poudreuse homogène Fe_0,5CoNiCuZn_XLes HEA ont été préparés par électrolyse d'oxydes métalliques dans du Na fondu₂CO₃-K₂CO₃à l'aide d'une anode à dégagement d'oxygène inerte Ni11Fe10Cu stable. L'utilisation de précurseurs d'oxyde et une température de synthèse relativement basse sont bénéfiques pour préparer efficacement des HEA contenant des éléments hautement volatils tels que le Zn. De plus, les microstructures et les compositions des HEA électrolytiques peuvent être facilement adaptées en ajustant les composants des précurseurs d'oxyde, puis en régulant davantage ses propriétés. Ainsi, l'activité électrocatalytique de Fe_0,5CoNiCuZn_XLes HEA vis-à-vis des réactions de dégagement d'oxygène (OER) ont été étudiées dans du KOH 1M. Les résultats montrent que Zn favorise l'activité OER de Fe_0,5CoNiCuZn_XHEA, c'est-à-dire le HEA(Zn_0,8) montre la meilleure activité OER présentant une faible surtension de 340 mV à 10 mA/cm²et une excellente stabilité de 24h. Par conséquent, l'électrolyse des sels fondus fournit non seulement une approche verte pour préparer Fe_0,5CoNiCuZn_XHEAs mais offre également un moyen efficace pour réguler la structure des alliages et ainsi optimiser les activités électrocatalytiques pour l'électrolyse de l'eau.

Revue de génie chimique, volume 429, 2022, article 132410

Récemment, les matériaux à base d'alliages à haute entropie (HEA) ont été vigoureusement explorés en tant que catalyseurs viables dans l'électrolyse de l'eau pour leurs propriétés uniques. Cependant, la synthèse de catalyseurs à haute entropie efficaces et robustes reste un défi. Ici, une approche facile et évolutive est rapportée pour synthétiser des nanoparticules HEA (CoNiCuMnAl)/C avancées à partir de la structure métal-organique polymétallique (MOF). Les nouvelles nanoarchitectures noyau-coque présentent un HEA cubique centré sur la face enveloppé dans une coque en carbone ultra-mince. Le catalyseur optimisé (déposé sur la mousse de Ni) a stimulé la réaction alcaline de dégagement d'oxygène (OER) (dans 1,0 M KOH) avec une surtension ultra-faible de 215 mV à 10 mA/cm²(également par une faible pente de Tafel de 35.6mVdec⁻¹). L'amélioration des performances est étroitement liée à la reconstruction de surface (c'est-à-dire à la formation d'espèces actives catalytiques oxyhydroxydes) et à l'effet d'entropie élevée, révélé par la voltamétrie à courant alternatif à transformée de Fourier (FTACV) etsur placeAnalyse du spectre Raman, en conjonction avec les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). De plus, la nouvelle conception a montré une excellente stabilité OER à long terme avec une décroissance négligeable grâce à des tests de 30h (sous 200mAcm⁻²). Le présent travail démontre la faisabilité et l'avantage d'utiliser des alliages à haute entropie hautement efficaces et durables pour catalyser le processus de séparation électrochimique de l'eau.

Journal des sources d'énergie, volume 430, 2019, p. 104-111

Des catalyseurs de réaction de dégagement d'oxygène efficaces basés sur des éléments abondants en terre et à faible coût sont nécessaires de toute urgence pour les dispositifs de séparation de l'eau et les batteries métal-air. Ici, pour la première fois, nous rapportons un MO nouveau et prometteur_X(M=Mn, Fe, Co et Ni) catalyseur de nanofeuillets pour la réaction de dégagement d'oxygène basé sur l'alliage à haute entropie MnFeCoNi. Par une activation de balayage de voltamétrie cyclique électrochimique, le MO_Xles nanofeuilles peuvent se développer directement sur les surfaces des particules d'alliage à haute entropie MnFeCoNi formant une structure noyau-coque. La structure noyau-coque présente une faible surtension de 302 mV pour atteindre une densité de courant de 10 mAcm⁻², une petite pente de Tafel de 83.7mV dec⁻¹et une stabilité à long terme exceptionnelle de l'électrolyse pendant plus de 20h dans une solution alcaline de KOH 1M, ce qui est comparable à l'électrocatalyseur de réaction de dégagement d'oxygène de pointe RuO₂. Nous effectuons une étude de l'alliage à haute entropie MnFeCoNi avant et après l'activation du balayage de voltamétrie cyclique sur leurs morphologies, états chimiques et composition des éléments pour comprendre l'évolution des matériaux. Le présent travail fournit non seulement un électrocatalyseur prometteur, mais élargit également les domaines d'application des alliages à haute entropie.

Journal du génie chimique, volume 430, partie 2, 2022, article 132883

De grands intérêts ont été concentrés sur les alliages à haute entropie, une nouvelle classe de matériaux monophasés en solution solide, en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques. Ici, l'alliage à haute entropie CoNiCuMgZn (HEA) a été intégré de manière homogène sur des substrats conducteurs de graphène troué bidimensionnel (2D) ultrafins via une simple stratégie d'ancrage et d'alliage. Au cours de la croissance du HEA, l'oxyde de graphène est utilisé à la fois comme matrice directe et comme réducteur. En modulant les quantités d'entrée initiales de sources métalliques, les tailles de particules de HEA peuvent être finement régulées de 40 à 200 nm. Bénéficiant de l'effet synergique entre l'excellente conductivité électronique du graphène et les sites catalytiques abondants des particules de HEA, le matériau obtenu présente une activité catalytique et une stabilité remarquables pour la réaction de dégagement d'hydrogène par rapport aux catalyseurs de métaux non nobles rapportés précédemment. Le calcul de la théorie fonctionnelle de la densité révèle que la structure intégrée unique de HEA sur le graphène profite à la sorption de H * et favorise la cinétique catalytique. Ce travail est d'une grande importance dans l'utilisation pratique de HEA et donne en effet une perspective brillante dans la fabrication de HEA en tant qu'électrocatalyseurs efficaces pour la séparation de l'eau.