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Nanopartikel aus einer Hochentropie-Legierung zeigen eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit

Hochentropie-Legierungen (High-Entropy-Alloys, HEAs) entstehen durch die Kombination von etwa gleichen Teilen mehrerer – in der Regel fünf oder mehr – Elemente und sind eine aufstrebende Klasse von modernen Werkstoffen, die oftmals besondere mechanische, thermische oder katalytische Eigenschaften besitzen. Ein weiterer Reiz von HEAs besteht darin, dass sie wirksame Alternativen zu Materialien darstellen können, die knapp, gefährlich oder teuer sind oder internationalen Beschränkungen oder Konflikten unterliegen.

Verschiedene Studien wurden bereits dem Verständnis des Hochtemperatur-Korrosionsverhaltens von HEAs gewidmet, wie zum Beispiel der Oxidation an Luft und in sauerstoffhaltigen Atmosphären. Dennoch gibt es derzeit nur wenige Kenntnisse darüber, wie sich HEA-Materialien, insbesondere als Nanopartikel, unter kritischen Bedingungen gegen oxidierende Gasen verhalten, da nur begrenzte Charakterisierungsmethoden für dynamische Prozesse zur Verfügung stehen.
Ein neuer Forschungsbericht in der Fachzeitschrift ACS Nano bietet nun wichtige Einblicke in das Verhalten von HEA-Nanopartikeln unter hochtemperatur-oxidierender Umgebung und ermöglicht einen Ausblick auf zukünftige Gestaltungsmöglichkeiten von hochstabilen Legierungen für herausfordernde Umgebungsbedingungen.

 

Diese Arbeit ist ein multidisziplinäres und institutionenübergreifendes Projekt, das von der University of Illinois in Chicago in Zusammenarbeit mit dem Argonne National Laboratory, der University of Pittsburgh, der University of California Riverside und der Northwestern University durchgeführt wurde.

Obwohl metallische Hochentropielegierungen (High-Entropy Alloys, HEAs) ein enormes Potenzial für Hochtemperatur-, Korrosionsschutz- und Katalyseanwendungen gezeigt haben, ist wenig darüber bekannt, wie sich HEA-Materialien unter komplexen Umgebungsbedingungen verhalten. Eine Gruppe um an der ...  untersuchte das Hochtemperatur-Oxidationsverhalten von Fe0.28Co0.21Ni0.20Cu0.08Pt0.23HEA-Nanopartikeln (NPs) in einer Umgebung mit trockener Luft bei Atmosphärendruck mittels In-situ-Gaszellen-Transmissionselektronenmikroskopie. Es wurde festgestellt, dass die Oxidation von HEA-NPs durch Kirkendall-Effekte mit logarithmischen Oxidationsraten und nicht parabolisch, wie von der Wagner-Theorie vorhergesagt, bestimmt wird. Außerdem wurde festgestellt, dass die HEA NPs im Vergleich zu einmetallischen NPs deutlich langsamer oxidieren. Die Auswärtsdiffusion von Übergangsmetallen und die Bildung einer ungeordneten Oxidschicht werden in Echtzeit beobachtet und durch analytische energiedispersive Spektroskopie und Charakterisierungen des Elektronen-Energieverlustes bestätigt. Lokalisierte geordnete Gitter werden im Oxid gefunden, was auf die Bildung von Fe2O3-, CoO-, NiO- und CuO-Kristalliten in einer insgesamt ungeordneten Matrix hindeutet. Hybride Monte-Carlo- und Molekulardynamik-Simulationen auf der Grundlage der Energien und Kräfte des ersten Prinzips unterstützen diese Ergebnisse und zeigen, dass die Oxidation die Oberflächenseigerung von Fe, Co, Ni und Cu antreibt, während Pt im Kernbereich bleibt. Die vorliegende Arbeit bietet wichtige Einblicke in das Verhalten von HEA-Nanopartikeln unter oxidierender Hochtemperaturumgebung und wirft ein Licht auf die zukünftige Gestaltung hochstabiler Legierungen unter komplexen Betriebsbedingungen.

Originalpublikation:

B. Song, Y. Yang, M. Rabbani, T.T. Yang, K. He, X. Hu, Y. Yuan, P. Ghildiyal, V.P. Dravid, M.R. Zachariah, W.A. Saidi, Y. Liu and R. Shahbazian-YassarIn Situ Oxidation Studies of High-Entropy Alloy Nanoparticles, ACS Nano 2020, https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05250