科学家发现多元素纳米粒子的应用

一种新兴的合金纳米粒子被证明比单元素纳米粒子更稳定、更耐用。催化剂是现代社会无数方面不可或缺的一部分。通过加速重要的化学反应，催化剂支持工业制造并减少有害排放。它们还提高了化学过程的效率，适用于从电池和运输到啤酒和洗衣粉等应用。

尽管催化剂很重要，但它们的工作方式对科学家来说往往是个谜。了解催化过程可以帮助科学家开发更高效、更具成本效益的催化剂。在最近的一项研究中，来自伊利诺伊大学芝加哥分校 (UIC) 和能源部 (DOE) 阿贡实验室的科学家发现，在经常快速降解催化材料的化学反应中，某种类型的催化剂表现出异常高的稳定性和耐用性。

本研究中的催化剂是合金纳米颗粒，或由多种金属元素组成的纳米颗粒，如钴、镍、铜和铂。这些纳米粒子可以有多种实际应用，包括在燃料电池中分解水以产生氢气;通过捕获二氧化碳并将其转化为有用的材料(如甲醇)来减少二氧化碳;生物传感器中更有效的反应来检测体内的物质;以及更有效地产生热量、电力和燃料的太阳能电池。

在这项研究中，科学家们研究了“高熵”(高度稳定)合金纳米粒子。由 UIC 的 Reza Shahbazian-Yassar 领导的研究小组使用阿贡的纳米材料中心 (CNM)(能源部科学用户设施办公室)来表征氧化过程中颗粒的成分，该过程会降解材料并减少其在催化反应中的有用性。

该研究的首席科学家、来自 UIC 的科学家 Bob Song 说：“在 CNM 使用气流透射电子显微镜 (TEM)，我们可以以非常高的分辨率实时捕获整个氧化过程。” “我们发现高熵合金纳米粒子比一般金属粒子更能抵抗氧化。”

为了进行 TEM，科学家们将纳米颗粒嵌入氮化硅膜中，并使不同类型的气体通过颗粒上方的通道流动。一束电子探测了粒子与气体之间的反应，揭示了低氧化率以及在此过程中某些金属(铁、钴、镍和铜)向粒子表面的迁移。

“我们的目标是了解高熵材料与氧气反应的速度有多快，以及纳米粒子的化学反应在这种反应过程中如何演变，”UIC 工程学院机械和工业工程教授 Shahbazian-Yassar 说。

Shahbazian-Yassar 表示，这项研究的发现可以使许多能量存储和转换技术受益，例如燃料电池、锂空气电池、超级电容器和催化剂材料。纳米颗粒还可用于开发耐腐蚀和耐高温材料。

“这是 CNM 的能力和服务如何满足我们合作者需求的成功展示，”CNM 的科学家 Argonne 的 Yuzi Liu 说。“我们拥有最先进的设施，我们也希望提供最先进的科学。”

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