高熵材料纳米粒子具有丰富广泛的应用,因此受到人们的广泛关注。高熵合金纳米粒子的合成能够通过块体高熵材料破碎或者分解-重结晶得到。或者通过分子/离子/原子反应物直接合成高熵合金材料目前是个巨大的挑战。
一个合成高熵合金纳米粒子的常用策略是通过热力学驱动的方式合成高熵纳米粒子,调节熵的贡献,需要被限制在高温条件合成进行熵的最大化;另一个策略是通过动力学方式合成高熵纳米粒子,通过均相的反应物或者通过高度稀释的反应物混合之后快速反应。此外,实验结果表明,在温度适中的反应条件合成高熵合金纳米粒子的过程中,熵起到非常重要的作用,在纳米尺度形成更多界面和表面,因此稳定高熵合金纳米粒子晶相。
有鉴于此,西班牙加泰罗尼亚能源研究所Ren He、Andreu Cabot等综述高熵合金纳米粒子的合成策略。
对各种高熵合金纳米粒子的合成策略进行总结和评价,对关键的合成例子进行展示,给出了高熵合金生成机理。这些内容对精确的调控实验条件能够形成特定产品效果,因此能够高效率的合成先进的高熵合金纳米粒子,用于各种科研和技术领域的现有应用和新兴应用。
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从自上而下、自下而上两个方面总结。其中自上而下的方法能够使用原子、离子、分子作为反应物,讨论了稳定高熵晶相的三个主要机理:熵、动力学、焓。熵驱动合成高熵合金的过程需要高温条件,并且高温条件生成块体高熵合金纳米粒子,难以获得尺寸比较小的高熵纳米粒子。通过限制反应物能够得到尺寸受限的高熵纳米粒子,包括:极端短合成时间、将反应物固定在大比表面积载体之上、使用限域的能量让反应在限域空间内发生、通过球磨处理阻碍晶体生长。通过动力学控制是另一种方案,动力学控制策略关注于反应物元素之间的快速反应,防止形成热力学选择性的晶相。理想型的反应条件下,反应物能够不经过中间相,直接生成高熵合金。这个实现的方法包括三个:将随机分布元素预先冷凝形成颗粒,之后通过合适温度进行晶化;时间条件进行快速反应,比如高温、反应性原料、plasma、电引发;或者通过高度稀释化的溶液减少物种之间的相互作用,这个方法能够使用焓驱动生成高熵合金纳米粒子,利用表面能和界面能的影响。
当颗粒的尺寸减小,表面能和界面能变得更加重要,最后形成单一晶相高熵合金纳米粒子在能量上比多晶相更有优势。此外,对高熵合金生成的机理、性质、高熵合金的性能、应用进行总结和展望。这部分包括原子尺度的组成、缺陷和应力的调控、如何保证工作状态稳定、研究生长机理、高通量计算策略筛选稳定且具有多功能的高熵合金。
参考文献
Linlin Yang, Ren He, Jiali Chai, Xueqiang Qi, Qian Xue, Xiaoyu Bi, Jing Yu, Zixu Sun, Lu Xia, Kaiwen Wang, Nilotpal Kapuria, Junshan Li, Ahmad Ostovari Moghaddam, Andreu Cabot, Synthesis Strategies for High Entropy Nanoparticles, Adv. Mater. 2024
DOI: 10.1002/adma.202412337
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412337