后门方法在较低温度下产生高熵材料

熵是一团糟。

随机性和无序性并不完全是科学的美德。然而，事实证明，不同大小的原子的草率混乱可以更好地稳定某些纳米晶体，而不是整齐排列这些元素。这些所谓的高熵材料现在正在被热切地研究，因为它们可以彻底改变广泛的应用，从能量存储和转换到超高温隔热体和电磁干扰屏蔽。

一个跨学科团队开发了一种反向通道方法，利用溶解度而不是熵来克服热力学约束，并在较低温度下合成高熵氧化物（HEO）纳米晶体 – 结果相同，但混乱更少。

该团队的新论文“单分散高熵尖晶石氧化物纳米晶体的胶体合成”于6月17日发表在《美国化学学会杂志》上。主要作者是博士生乔纳森·罗威尔（Jonathan Rowell）。

康奈尔大学材料科学与工程副教授理查德·罗宾逊（Richard Robinson）表示，高熵材料领域相对较新，但兴趣如此浓厚，关于该主题的评论论文实际上比高熵材料本身还要多。

“这是一个非常令人兴奋的领域，因为高熵材料在许多应用中可能比以前见过的更好，比如催化剂，”他说。“它们具有超越其他二元或三元材料的特性，因为它们能够混合这些阳离子的所有不同波函数，并产生应变但稳定的晶格。问题在于，很难获得这些材料的均匀尺寸的纳米晶体。很难创造它们，因为标准条件不利于可控增长。

到目前为止，纳米晶体中的高熵稳定依赖于两个作用：添加许多元素和升高温度。晶体通常由结合在一起并形成晶格的原子组成。添加一些不同大小和结合强度的额外原子将导致井然有序的晶格分崩离析，通常是由于应变。但是，添加五种或更多不同类型的原子（在这种情况下，称为阳离子的带正电离子）以及熵项中温度的升高为稳定形成能创造了合适的条件。

罗宾逊说：“让一种材料如此随机，它实际上是稳定的，这是违反直觉的，这使得它更加迷人。“你总是想着制造一种结构和成分稳定的材料，所有东西都必须慢慢地结合在一起，并在热力学上保持稳定。但事实证明，在这些高熵材料中，这种热力学稳定性来自无序，这与我们通常所学的相反。因此，从化学和材料科学的角度来看，这是一个好主意。

罗威尔发现，他可以利用溶解度来创造高熵粒子，而不是依靠热力学。从本质上讲，研究人员通过酯化反应在胶体合成过程中沉淀了纳米晶体。

“我们想利用金属氧化物颗粒的低溶解度 – 一旦氧化物纳米晶体形成，它就不会溶解回来，”Rowell说。“为了达到这个目标，我们需要一种能够控制反应速率的反应。这导致了这种酯化反应，其中反应主要由金属的酸度决定。由于我们可以查找这些酸度值，因此我们可以针对特定的金属，使高熵氧化物的合成变得可预测且高效。

然而，最困难的部分是合成。

“通常，当你试图制造这些高熵纳米晶体时，你会长出许多不同大小的颗粒，没有什么是均匀的，”罗宾逊说。“为了理解物理学、化学和材料科学，你真的希望每个粒子看起来几乎都一样。Jon 花了很多时间来改进反应，以创造这种单分散产品。

该团队与塞缪尔·B·埃克特（Samuel B. Eckert）工程学教授大卫·穆勒（David Muller）合作，他使用电子显微镜确认该团队创造了一种高熵多金属，所有阳离子都混合在同一个晶格中，没有任何元素分离出来。艺术与科学学院 Émile M. Chamot 化学教授 Héctor D. Abruña 测试了该材料在碱性介质中的催化功能，即加速化学反应的能力，发现它高性能且稳定。

根据Robinson的说法，纳米颗粒含有各种具有不同表面的阳离子，这一事实可能使它们成为燃料电池和电池的强电催化剂。

“锦上添花的是，我们的方法使用的是这种后门路线，因此我们不受高熵稳定效应的限制。我们可以用任意数量的阳离子制造多金属氧化物，“他说。“这种合成为创造多种版本的多金属材料打开了大门。

合著者包括 Muller 和 Abruña;博士生Minsoo Kang和Dasol Yoon;和 Kevin 江，硕士 ’23 和亚夫贾，硕士 ’23。

该研究得到了碱性能源解决方案中心的一部分支持，该中心是由美国能源部科学办公室、基础能源科学资助的能源前沿研究中心;和美国国家科学基金会（NSF）。

研究人员利用了康奈尔材料研究中心。