Наноразмерные высокоэнтропийные материалы на основе ВЭС, принципы проектирования и методы синтеза
В.А. Полухин, С.Х. Эстемирова, Э.Д. Курбанова, Р.М. Белякова
ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.520
Оригинальная статья
Аннотация: Проанализированы принципы проектирования высокоэнтропийных сплавов, касающиеся подбора элементов. При подборе элементов используется параметрический подход, включающий химические и топологические параметры. Основным химическим параметром является энтальпия смешения элементов, основным топологическим параметром – атомный радиус. Подчеркивается, что использование модифицированных атомных радиусов, учитывающих локальное электронное окружение, лучше прогнозирует образования либо аморфных, либо кристаллических высокоэнтропийных сплавов. Рассмотрены 4 основные эффекта, определяющие свойства высокоэнтропийных сплавов: эффект высокой энтропии, эффект искажения решетки, эффект замедленной диффузии и «коктейль»-эффект. Получение наноразмерных высокоэнтропийных материалов на основе высокоэнтропийных сплавов – это новое перспективное направление, позволяющее существенно расширить их области применения, связанные с энергетикой (катализ, хранение энергии и др.), наноэлектроникой и др. В статье проведен анализ некоторых методов синтеза наноразмерных высокоэнтропийных сплавов и материалов на их основе, разрабатываемых в качестве катализаторов. Улучшенные рабочие характеристики по сравнению с традиционными катализаторами объясняются с точки зрения эффектов и особенностей, характерных для многокомпонентных систем.
Ключевые слова: многокомпонентные, аморфные и нанокристаллические сплавы, высокоэнтропийные сплавы и наноразмерные высокоэнтропийные сплавы, морфология, катализаторы, структуры ГЦК и ГПУ, ОЦК, прочность, термостабильность
- Полухин Валерий Анатольевич – д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
- Эстемирова Светлана Хусаиновна – к.х.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
- Курбанова Эльмира Джумшудовна – к.х.н., научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
- Белякова Римма Михайловна – к.т.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
Ссылка на статью:
Полухин, В.А. Наноразмерные высокоэнтропийные материалы на основе ВЭС, принципы проектирования и методы синтеза / В.А. Полухин, С.Х. Эстемирова, Э.Д. Курбанова, Р.М. Белякова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 520-535. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.520.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Yu, T. Twelve-component freestanding nanoporous high-entropy alloys for multifunctional electrocatalysis / T. Yu, Y. Zhang, Y. Hu et al // ACS Materials Letters. – 2022. – V. 4. – I. 1. – P. 181-189. DOI: 10.1021/acsmaterialslett.1c00762.
2. Pogrebnjak, A.D. The structure and properties of high-entropy alloys and nitride coatings based on them / A.D. Pogrebnjak, A.A. Bagdasaryan, I.V. Yakushchenko, V.M. Beresnev // Russian Chemical Reviews. – 2014. – V. 83. – I. 11. – P. 1027-1061. DOI: 10.1070/rcr4407.
3. Kumar, J. The effect of Si addition on the structure and mechanical properties of equiatomic CoCrFeMnNi high entropy alloy by experiment and simulation / J. Kumar, A. Linda, M. Sadhasivam et al. // Materialia. – 2023. – V. 27. – Art. № 101707. – 40 p. DOI: 10.1016/j.mtla.2023.101707.
4. Ma, B. Ab initio thermodynamics of the CoCrFeMnNi high entropy alloy: Importance of entropy contributions beyond the configurational one / D. Ma, B. Grabowski, F. Kormann et al. // Acta Materialia. – 2015. – V. 100. – P. 90-97. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.08.050.
5. Zhang, Y. High-entropy alloys for electrocatalysis: Design, characterization, and applications / Y. Zhang, D. Wang, S. Wang // Small. – 2022. – V. 18. – I. 7. – Art. № 2104339. – 22 p. DOI: 10.1002/smll.202104339.
6. Ye, Y.F. High-entropy alloy: Challenges and prospects / Y.F. Ye, Q. Wang, J. Lu et al. // Materials Today. – 2016. – V. 19. – I. 6. – P. 349-362. DOI: 10.1016/j.mattod.2015.11.026.
7. Callister, W.D. Materials science and engineering: an introduction / W.D. Callister, D.G. Rethwisch. – 10th ed. – Hoboken, NJ: Wiley, 2018. – 992 p.
8. Hu, Q. Parametric study of amorphous high-entropy alloys formation from two new perspectives: atomic radius modification and crystalline structure of alloying elements open. / Q. Hu, S. Guo, J. Wang et al. // Scientific Reports. – 2017. – V. 7. – Art. № 39917. – 12 p. DOI: 10.1038/srep39917.
9. Daryoush, S. Amorphization, mechanocrystallization, and crystallization kinetics of mechanically alloyed AlFeCuZnTi high-entropy alloys. / S. Daryoush, H. Mirzadeh, A. Ataie // Materials Letters. – 2022. – V. 307. – Art. № 131098. – 11p. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.131098.
10. Polukhin, V.A. Presolidification changes in the structural–dynamic characteristics of glass-forming metallic melts during deep cooling, vitrification, and hydrogenation / V.A. Polukhin, N.I. Sidorov, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2019. – V. 2019. – I. 8. – P. 758-780. DOI: 10.1134/S0036029519080123.
11. Zhou, Y. A review on the rational design and fabrication of nanosized highentropy materials / Y. Zhou, X. Shen, T. Qian et al. // Nano Research. – 2022. – V. 16. – I. 5. – P. 7874-7905. DOI: 10.1007/s12274-023-5419-2.
12. Meng, F. Charge transfer effect on local lattice distortion in a HfNbTiZr high entropy alloy / F. Meng, W. Zhang, Z. Zhou et al. // Scripta Materialia. – 2021. – V. 203. – Art. № 114104. – 5 p. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2021.114104.
13. Wu, D. On the electronic structure and hydrogen evolution reaction activity of platinum group metal-based high-entropy-alloy nanoparticles / D. Wu, K. Kusada, T. Yamamoto et al. // Chemical Science. – 2020. – V. 11. – I. 47. – P. 12731-12736. DOI: 10.1039/D0SC02351E.
14. Polukhin, V.A. Stability, atomic dynamics, and thermal destruction of the d metal/graphene interface structure / V.A. Polukhin, E.D. Kurbanova // Russian Metallurgy (Metally). – 2017. – V. 2017. – I. 2. – Р. 116-126. DOI: 10.1134/S0036029517020112.
15. Wu, D. Platinum-group-metal high-entropy-alloy nanoparticles / D. Wu, K. Kusada, T. Yamamoto et al. // Journal of the American Chemical Society. – 2020. – V. 142. – I. 32. – P. 13833-13838. DOI: 10.1021/jacs.0c04807.
16. Wang, A.L. Quinary PdNiCoCuFe alloy nanotube arrays as efficient electrocatalysts for methanol oxidation / A.L. Wang, H.C. Wan, H. Xu et al. // Electrochimica Acta. – 2014. – V. 127. – P. 448-453. DOI: 10.1016/j.electacta.2014.02.076.
17. Ma, Y. High-entropy metal-organic frameworks for highly reversible sodium storage. / Y. Ma, Y. Ma, S.L. Dreyer et al. // Advanced Materials. – 2021. – V. 33. – Art. № 2101342. – 10 p. 10.1002/adma.202101342.
18. Xiao, B. High-entropy oxides as advanced anode materials for long-life lithium-ion batteries / B. Xiao, G. Wu, T. Wang et al. // Nano Energy. – 2022. – V. 95. – Art. № 106962. – 7 p. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.106962.
19. Polukhin, V.A. Formation of a intermediate order in metallic glasses and a long order in nanocrystalline alloys with allowance for the character of binding and the transformation of the short order in a melt / V.A. Polukhin, E.D. Kurbanova, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2018. – V. 2018. – I. 2. – P. 95-109. DOI: 10.1134/S0036029518020167.
20. Polukhin, V.A. Comparative analysis of the characteristics of amorphous, nanocrystalline, and crystalline membrane alloys / V.A. Polukhin, N.I. Sidorov, E.D. Kurbanova, R.M. Belyakova // Russian Metallurgy (Metally). – 2022. – I. 8. – P. 797-817. DOI: 10.1134/S0036029522080110.
21. Kipkirui, N.G. HiPIMS and RF magnetron sputtered Al0.5CoCrFeNi2Ti0.5 HEA thin-film coatings: Synthesis and characterization / N.G. Kipkirui, T.T. Lin, R.S. Kiplangat et al. // Surface and Coatings Technology. – 2022. – V. 449. – Art. № 128988. – 9 p. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128988.
22. Xu, W. Entropy-driven mechanochemical synthesis of polymetallic zeolitic imidazolate frameworks for CO2 fixation / W. Xu, H. Chen, K.C. Jie et al. // Angewandte Chemie International Edition. – 2019. – V. 58. – I. 15. – P. 5018-5022. DOI: 10.1002/anie.201900787.
23. Li, H. Controllable electrochemical synthesis and magnetic behaviors of Mg-Mn-Fe-Co-Ni-Gd alloy films / H. Li, H. Sun, C. Wang et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – V. 598. – P. 161-165. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.02.051.
24. Miracle, D.B. A critical review of high entropy alloys and related concepts / D.B. Miracle, O.N. Senkov // Acta Materialia. – 2017. – V. 122. – P. 448-511. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.08.081.
25. Yeh, J.W. Nanostructured high‐entropy alloys with multiple principal elements: novel alloy design concepts and outcomes / J.-W. Yeh, S.-K. Chen, S.-J. Lin et al. // Advanced Engineering Materials. – 2004. – V. 6. – I. 5. – P. 299-303. DOI: 10.1002/adem.200300567.
26. Yeh, J.W. Recent progress in high-entropy alloys / J.W. Yeh // Annales De Chimie – Science des Materiaux. – 2006. – V. 31. – I. 6. – P. 633-648. DOI: 10.3166/acsm.31.633-648.
27. Ranganathan, S. Alloyed pleasures multimetallic cocktails / S. Ranganathan // Current Science. – 2003. – V. 85. – № 10. – P. 1404-1406.
28. Mori, K. Hydrogen spillover-driven synthesis of high-entropy alloy nanoparticles as a robust catalyst for CO2 hydrogenation / K. Mori, N. Hashimoto, N. Kamiuchi et al. // Nature Communications. – 2021. – V.12. – Art. № 3384. – 11 p. https://doi.org/10.1038/s41467-021-24228-z.
29. Huang, K. Exploring the impact of atomic lattice deformation on oxygen evolution reactions based on a sub5 nm pure face centred cubic high-entropy alloy electrocatalyst / K. Huang, B. Zhang, J. Wu et al. // Journal of Materials Chemistry A. – 2020. – V. 8. – I. 24. – P. 11938-11947. DOI: 10.1039/D0TA02125C.
30. Yao, Y. Computationally aided, entropy-driven synthesis of highly efficient and durable multi-elemental alloy catalysts / Y. Yao, Z. Liu, P. Xie et al. // Science Advances. – 2020. – V. 6. – № 11. – Art. № eaaz0510. – 10 p. DOI: 10.1126/sciadv.aaz0510.
31. Zhang, D. Multi-site electrocatalysts boost pH-universal nitrogen reduction by highentropy alloys / D. Zhang, H. Zhao, X. Wu et al. // Advanced Functional Materials. – 2021. – V. 31. – I. 9. – Art. № 2006939. – 8 p. DOI: 10.1002/adfm.202006939.
32. Qin, Y.-C. Noble metal-based high-entropy alloys as advanced electrocatalysts for energy conversion / Y.-С. Qin, F.-Q. Wang, X.-M. Wang et al. // Rare Metals. – 2021. – V. 40. – I. 9. – P. 2354-2368. DOI: 10.1007/s12598-021-01727-y.