近日，瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室（EMPA）透露，該組織旗下的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在生產(chǎn)和研究可用于甲烷合成催化劑的高熵陶瓷材料，并將繼續(xù)迎接來(lái)自高性能電池、超導(dǎo)陶瓷或汽車(chē)尾氣催化劑和其他化學(xué)生產(chǎn)工藝的挑戰(zhàn)。

研究人員利用“分段流管式反應(yīng)器”開(kāi)發(fā)高熵陶瓷材料

熵穩(wěn)定材料

熵即是對(duì)無(wú)序的度量。多數(shù)情況下無(wú)序是自發(fā)增加的，這個(gè)過(guò)程也就是我們常常聽(tīng)到的“熵增”。而晶體被認(rèn)為與無(wú)序完全相反，在晶體結(jié)構(gòu)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(gè)貌似沖突的概念組合在一起，就是近年來(lái)才出現(xiàn)的熵穩(wěn)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(kāi)發(fā)，它具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蝕性等傳統(tǒng)合金所不能同時(shí)具備的優(yōu)異性能，科學(xué)家管這個(gè)叫做“雞尾酒效應(yīng)”。時(shí)間來(lái)到2015年，人們發(fā)現(xiàn)陶瓷晶體也可以通過(guò)“無(wú)序的力量”來(lái)穩(wěn)定，高熵陶瓷就此誕生。

高熵陶瓷

目前，Empa研究小組已經(jīng)成功地將九種不同的原子插入到晶體中。優(yōu)點(diǎn)是它們即使在高溫下也能保持穩(wěn)定——因?yàn)椤爸匦屡帕小彼鼈儠?huì)導(dǎo)致更大的秩序。因此，對(duì)最大無(wú)序的自然追求穩(wěn)定了不尋常的晶體結(jié)構(gòu)，從而穩(wěn)定了整個(gè)材料。

Empa高性能陶瓷部門(mén)的研究員Michael Stuer和Amy Knorpp專(zhuān)注于催化活性材料，比如將二氧化碳和氫氣結(jié)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(yīng)就會(huì)更容易、更快速地發(fā)生，現(xiàn)在我們正試圖生產(chǎn)熵晶體，其表面存在如此高活性的區(qū)域。”

研究人員用“管狀流動(dòng)反應(yīng)器”生產(chǎn)他們的晶體混合物

為了加快研究進(jìn)展，他們?cè)贓MPA實(shí)驗(yàn)室的幫助下建造了一種特殊的合成裝置——分段流管式反應(yīng)器，可以像在裝配線(xiàn)上一樣對(duì)許多不同的化學(xué)混合物一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)行測(cè)試。在裝置中，小氣泡穿過(guò)管子，在其中發(fā)生相應(yīng)的反應(yīng)。“管流反應(yīng)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(gè)接一個(gè)地產(chǎn)生幾個(gè)氣泡，再通過(guò)各種干燥過(guò)程將前體粉末變成所需尺寸和形狀的細(xì)晶體。” 例如，當(dāng)混合物形成針狀晶體，針的長(zhǎng)邊是低能量的，而針尖的晶體邊緣是高能量的。

當(dāng)前的甲烷合成催化過(guò)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(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化，結(jié)果導(dǎo)致催化劑會(huì)隨著時(shí)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(qū)域，而且耐高溫、抗腐蝕，這就是開(kāi)發(fā)它的意義所在。

編譯整理 YUXI

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