近日，瑞士聯邦材料測試與開發實驗室（EMPA）透露，該組織旗下的一個團隊正在生產和研究可用于甲烷合成催化劑的高熵陶瓷材料，并將繼續迎接來自高性能電池、超導陶瓷或汽車尾氣催化劑和其他化學生產工藝的挑戰。

研究人員利用“分段流管式反應器”開發高熵陶瓷材料

熵穩定材料

熵即是對無序的度量。多數情況下無序是自發增加的，這個過程也就是我們常常聽到的“熵增”。而晶體被認為與無序完全相反，在晶體結構中，晶格的所有元素都以盡可能小的體積整齊排列在一起。兩個貌似沖突的概念組合在一起，就是近年來才出現的熵穩定材料。2004年，高熵合金（由5種以上元素組元按照等原子比或近等原子比合金化）被開發，它具有高強度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蝕性等傳統合金所不能同時具備的優異性能，科學家管這個叫做“雞尾酒效應”。時間來到2015年，人們發現陶瓷晶體也可以通過“無序的力量”來穩定，高熵陶瓷就此誕生。

高熵陶瓷

目前，Empa研究小組已經成功地將九種不同的原子插入到晶體中。優點是它們即使在高溫下也能保持穩定——因為“重新排列”它們會導致更大的秩序。因此，對最大無序的自然追求穩定了不尋常的晶體結構，從而穩定了整個材料。

Empa高性能陶瓷部門的研究員Michael Stuer和Amy Knorpp專注于催化活性材料，比如將二氧化碳和氫氣結合形成甲烷，“我們知道，CO₂分子在某些表面上的吸附特別好，然后所需的反應就會更容易、更快速地發生，現在我們正試圖生產熵晶體，其表面存在如此高活性的區域。”

研究人員用“管狀流動反應器”生產他們的晶體混合物

為了加快研究進展，他們在EMPA實驗室的幫助下建造了一種特殊的合成裝置——分段流管式反應器，可以像在裝配線上一樣對許多不同的化學混合物一個接一個地進行測試。在裝置中，小氣泡穿過管子，在其中發生相應的反應。“管流反應器中所有氣泡的大小都相同，這就是為什么我們總是為我們的合成提供理想且一致的邊界條件，如果我們需要大量的特別有前途的混合物，我們只需用相同的混合物一個接一個地產生幾個氣泡，再通過各種干燥過程將前體粉末變成所需尺寸和形狀的細晶體。” 例如，當混合物形成針狀晶體，針的長邊是低能量的，而針尖的晶體邊緣是高能量的。

當前的甲烷合成催化過程，由于沼氣中的硫成分污染了催化劑表面或是催化劑表面在高溫下發生化學轉化，結果導致催化劑會隨著時間的推移而減弱。但高熵陶瓷的特性使它不僅表面存在高活性區域，而且耐高溫、抗腐蝕，這就是開發它的意義所在。

編譯整理 YUXI

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