Kolloidale „High Entropy Alloy (HEA)“ Nanopartikel durch kinetisch kontrollierte Laserablationssynthese in Flüssigkeiten-Bildungsmechanismus und deren Integration in zweiphasige Kern-Schale-Morphologien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski; Professor Dr. Lorenz Kienle
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277627168

Hochentropielegierungsnanopartikel (HEA-NP) sind ein wachsendes Wissenschaftsfeld und für die heterogene Katalyse von Interesse. Sie zeichnen sich durch eine hohe Komplexität bei der elementaren Zusammensetzung aus, besitzen aber trotzdem eine einfache „Solid Solution“-Kristallstruktur. Die Laserablation in Flüssigkeiten (LAL) ist eine vielversprechende Methode zur Herstellung dieser HEA-NP, da sie sich bis in den g/h-Maßstab skalieren lässt, und zudem die NP in kolloidaler Form erhalten werden, wobei auf organische Stabilisatoren verzichtet werden kann. Der Bildungsmechanismus dieser HEA-NP über LAL ist nur unvollständig verstanden. Weiterhin ist die Bandbreite an Zusammensetzungen (Anzahl der Elemente und deren atomare Verhältnisse) die zu vollständig gemischten HEA-NP führen bis heute nie systematisch untersucht worden.In vorherigen Experimenten (1. Antragsphase) wurden bereits ähnliche Fragestellungen für bimetallische Elementsysteme (FeAu) untersucht. Wir konnten herausarbeiten, dass die Bildung von vollständig gemischten Solid-Solution-Nanopartikeln gegenüber segregierten Strukturen von der Zusammensetzung des Targets, der Partikelgröße und der Pulsdauer des Lasers abhängt. Darüber hinaus konnten wir eine komplexe segregierte Fe@AuFe Core-Shell-Struktur identifizieren, deren Bildung vermutlich auf starke Unterschiede in Schmelzpunkt und Oberflächenenergie der beteiligten Elemente zurückzuführen ist. In diesem Projekt möchten wir aufklären, ob sich diese Befunde auf HEA-NP übertragen lassen. Daher werden NP aus I) CoCrFeMnNi und II) AgAuCuPdPt mittels LAL synthetisiert, und Prozessparameter wie die Laserpulsdauer werden angepasst mit dem Ziel HEA-Strukturen mit homogener Elementverteilung und minimaler Oxidation zu erhalten. In einem anschließenden Schritt wird untersucht ob der Überschuss eines Elementes das System in die elementare Segregation treibt und unter welchen Bedingungen sich dabei eine Core-Shell-Struktur bildet und wie diese Segregation von der Partikelgröße abhängt. Diese Untersuchungen bedürfen der Entwicklung und Nutzung fortschrittlicher STEM/EDX- und SAED-Methoden, die eine Differenzierung verschiedener Elemente und Kristallstrukturen in einem einzigen Partikel bei atomarer Auflösung ermöglichen. In einem weiteren Ansatz werden wir STEM/EDX und EELS sowie Cyclovoltammetrie und XPS einsetzen, um Unterschiede in Zusammensetzung und Kristallstruktur von Partikeloberfläche und -innerem zu untersuchen, da Oberflächenzusammensetzungen für eine katalytische Anwendung besonders relevant sind. Abschließend werden in situ-Heizexperimente im TEM durchführt, und auftretende Änderungen der Zusammensetzung und Kristallstruktur untersucht. Hierbei soll insbesondere die Transformation von metastabilen Strukturen hin zum thermodynamischen Gleichgewicht mechanistisch erfasst werden. Diese Untersuchungen werden durch Simulationsrechnungen mit Molecular-Dynamics- und Monte-Carlo-Methoden komplettiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen