Las aleaciones de alta entropía (HEA) han atraído una gran atención en diversos campos debido a sus propiedades únicas, como alta resistencia y dureza, y alta estabilidad térmica y química.
A diferencia de las aleaciones convencionales, que normalmente incorporan pequeñas cantidades de uno o dos metales adicionales, los HEA constituyen una solución sólida de cinco o más metales en igual proporción atómica. Esta composición única da como resultado estructuras superficiales únicas y complejas que contienen muchos sitios activos diferentes adecuados para reacciones catalíticas. Como resultado, en los últimos años, las nanopartículas (NP) de HEA han sido ampliamente estudiadas por su potencial catalítico.
Sin embargo, a pesar de su potencial, las HEA NP nunca se han utilizado como catalizadores para el cultivo de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). Los SWCNT, tubos a nanoescala compuestos de carbono, exhiben propiedades notables como una resistencia excepcional y una conductividad térmica y eléctrica, lo que los hace valiosos en muchos campos, como componentes de baterías y biosensores para aplicaciones biomédicas y agrícolas.
En consecuencia, existe una necesidad urgente de métodos de síntesis eficientes para SWCNT, lo que requiere el desarrollo de catalizadores eficaces.
En un estudio pionero, un equipo de investigadores de Japón, dirigido por el profesor Takahiro Maruyama del Departamento de Química Aplicada de la Universidad de Meijo, logró, por primera vez, el crecimiento de SWCNT utilizando HEA NP.
"Los CNT tienen un inmenso potencial en numerosos dominios. Si podemos reducir su coste de síntesis y lograr un crecimiento selectivo de los SWCNT mediante mejoras en los catalizadores, se podría allanar el camino para dispositivos de alta velocidad y diversos sensores ópticos, lo que haría nuestras vidas más cómodas", afirma el profesor. Maruyama.
En estudios anteriores, el equipo del profesor Maruyama logró cultivar SWCNT utilizando metales individuales como iridio, platino y rodio como catalizadores. Basándose en sus hallazgos, en este estudio utilizaron HEA NP compuestas por cinco metales del grupo del platino (5 PGM), incluidos rodio, rubidio, paladio, iridio y platino.
El profesor Maruyama explica:"Teniendo en cuenta que las NP HEA de PGM a menudo tienen actividades más altas que los catalizadores de PGM individuales, teorizamos que las NP HEA compuestas de PGM podrían actuar como catalizadores altamente activos para el crecimiento de SWCNT".
El equipo sintetizó SWCNT mediante el proceso de deposición química de vapor (CVD), en el que los SWCNT se cultivan depositando capas de materiales átomo por átomo sobre una superficie sólida en el vacío. La CVD se llevó a cabo utilizando acetileno como materia prima a 750 0 C durante 10 minutos con los 5 PGM HEA NP como catalizadores. Esto resultó en el crecimiento de SWNCT de alta densidad con longitudes superiores a 1 micrómetro. Además, el análisis Raman mostró que los SWNCT tenían diámetros en el rango de 0,83 a 1,1 nanómetros.
Para comparar el rendimiento de las HEA NP, también sintetizaron SWNCT utilizando metales individuales como catalizadores, junto con hierro y cobalto, los catalizadores más utilizados para obtener SWCNT de alto rendimiento en el mismo proceso CVD. Los experimentos revelaron que la actividad catalítica de las NP de HEA era considerablemente mayor que la de los metales PGM individuales y era comparable a la del hierro y el cobalto.
El equipo atribuyó esta alta actividad a la estructura superficial única de las HEA NP que proporcionan varios sitios activos para la reacción catalítica debido a la diversidad de su estructura atómica.
"Nuestros resultados muestran que 5 PGM HEA NP son muy adecuados para el crecimiento de SWNCT de pequeño diámetro, lo que representa una combinación completamente nueva entre materiales. Además, dadas las innumerables combinaciones posibles para la composición de HEA, nuestro estudio puede allanar el camino para catalizadores incluso superiores. ", dice el profesor Takamura.
En general, este estudio demuestra la eficacia de las HEA NP como catalizadores para el crecimiento de SWCNTS de alta calidad, abriendo nuevas vías en la investigación de nanotubos de carbono.
La investigación se publica en la revista Applied Physics Express. .
Más información: Tomoki Omae et al, Desarrollo de ánodos de Ge/C nanoestructurados con una capa de apilamiento múltiple fabricada mediante pulverización catódica de alta presión de Ar para baterías de iones de Li+ de alta capacidad, Applied Physics Express (2024). DOI:10.35848/1882-0786/ad2785
Proporcionado por la Universidad Meijo
