Novos catalisadores de nanopartículas de liga de alta entropia para o cultivo de nanotubos de carbono de alta densidade

Ligas de alta entropia (HEAs) têm atraído atenção significativa em vários campos devido às suas propriedades únicas, como alta resistência e dureza, e altas estabilidades térmicas e químicas.

Ao contrário das ligas convencionais, que normalmente incorporam pequenas quantidades de um ou dois metais adicionais, os HEAs constituem uma solução sólida de cinco ou mais metais em proporções atômicas iguais. Esta composição única resulta em estruturas de superfície únicas e complexas que contêm muitos sítios ativos diferentes adequados para reações catalíticas. Como resultado, nos últimos anos, as nanopartículas de HEA (NPs) têm sido extensivamente estudadas pelo seu potencial catalítico.

No entanto, apesar do seu potencial, os NPs HEA nunca foram utilizados como catalisadores para o cultivo de nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs). SWCNTs, tubos em nanoescala feitos de carbono, exibem propriedades notáveis, como resistência excepcional e condutividade térmica e elétrica, tornando-os valiosos em muitos campos, como componentes de baterias e biossensores para aplicações biomédicas e agrícolas.

Consequentemente, existe uma necessidade urgente de métodos de síntese eficientes para SWCNTs, necessitando do desenvolvimento de catalisadores eficazes.

Num estudo pioneiro, uma equipa de investigadores do Japão, liderada pelo professor Takahiro Maruyama, do Departamento de Química Aplicada da Universidade Meijo, conseguiu, pela primeira vez, o crescimento de SWCNTs utilizando NPs HEA.

“Os CNTs possuem um imenso potencial em vários domínios. Se pudermos reduzir o seu custo de síntese e alcançar o crescimento seletivo dos SWCNTs através de melhorias nos catalisadores, isso poderá abrir caminho para dispositivos de alta velocidade e vários sensores ópticos, tornando as nossas vidas mais confortáveis”, diz o Prof. Maruyama.

Em estudos anteriores, a equipe do Prof. Maruyama teve sucesso no cultivo de SWCNTs usando metais únicos como irídio, platina e ródio como catalisadores. Com base em suas descobertas, neste estudo, eles usaram NPs HEA compostos por cinco metais do grupo da platina (5 PGM), incluindo ródio, rubídio, paládio, irídio e platina.

O professor Maruyama explica: “Considerando que os NPs HEA de PGM geralmente têm atividades mais altas do que os catalisadores de PGM individuais, teorizamos que NPs de HEA compostos de PGMs podem atuar como catalisadores altamente ativos para o crescimento de SWCNTs.”

A equipe sintetizou SWCNTs por meio do processo de deposição química de vapor (CVD), no qual os SWCNTs são cultivados depositando camadas de materiais átomo por átomo em uma superfície sólida no vácuo. A CVD foi realizada utilizando acetileno como matéria-prima a 750 ⁰C por 10 minutos com os 5 PGM HEA NPs como catalisadores. Isso resultou no crescimento de SWNCTs de alta densidade com comprimentos superiores a 1 micrômetro. Além disso, a análise Raman mostrou que os SWNCTs tinham diâmetros na faixa de 0,83 a 1,1 nanômetros.

Para comparar o desempenho dos NPs HEA, eles também sintetizaram SWNCTs usando os metais individuais como catalisadores, juntamente com ferro e cobalto, os catalisadores mais comumente usados ​​para obter SWCNTs de alto rendimento no mesmo processo CVD. Experimentos revelaram que a atividade catalítica das NPs de HEA era consideravelmente maior que a dos metais PGM individuais e era comparável à do ferro e do cobalto.

A equipe atribuiu esta alta atividade à estrutura superficial única dos NPs HEA que fornecem vários sítios ativos para reação catalítica devido à diversidade de sua estrutura atômica.

“Nossos resultados mostram que 5 PGM HEA NPs são altamente adequados para o crescimento de SWNCTs de pequeno diâmetro, representando uma combinação completamente nova entre materiais. Além disso, dadas as inúmeras combinações possíveis para a composição de HEA, nosso estudo pode abrir caminho para catalisadores ainda superiores “, diz o Prof. Takamura.

No geral, este estudo demonstra a eficácia dos NPs HEA como catalisadores para o crescimento de SWCNTS de alta qualidade, abrindo novos caminhos na pesquisa de nanotubos de carbono.

A pesquisa está publicada na revista Física Aplicada Expressa.