科学家调整高熵碳化物的合成以提高效率

Skoltech和托木斯克理工大学的研究人员调整了五元素碳化物的合成——一种强硬的碳和五种过渡金属的难熔化合物——这对工业陶瓷和催化具有很大的前景。

该团队依靠基本理论原理、模拟和机器学习来确定单相碳化物的合成条件，其中所有金属原子均匀分布在整个晶体中。使用先进的节能无真空电弧合成方法进行的实验证实了这些预测。该研究发表在npjComputationalMaterials上。

高熵碳化物(HEC)是元素周期表第4族和第5族中五种或更多种金属的多组分等摩尔单相固溶体，具有立方NaCl型晶体结构。HEC稳定的关键因素之一是构型或混合熵，它应该高于通用气体常数的1.5倍。这意味着该化合物应至少包含五种基本元素。

由于其独特的机械性能、高熔点和低导热性，HECs越来越受到研究人员的关注。此外，与单个金属碳化物相比，它们具有更高的硬度、断裂韧性和温度稳定性。

最常见的HEC合成方法是基于单个金属碳化物、纯金属或金属氧化物的预均化原材料的反应放电等离子烧结(SPS)。通常，HEC在约2,200-2,300摄氏度的高温下合成，SPS在约10-60MPa的压力下应用并停留10-15分钟，而原材料的均质化可能需要一天以上的时间。

“无真空电弧合成法有助于生产粉末状HEC，无需使用复杂、昂贵且耗能的设备，例如用于高真空的真空泵或用于外部压力的压缩机。我们的设置是独一无二的，因为它不需要压力或真空生产HEC，”先进能源材料实验室负责人兼TPU未来能源战略项目经理AlexanderPak解释道。

“此外，我们可以通过灵活改变合成参数来获得多相和单相碳化物。HEC是一类相当新的材料，因此我们尚未确定它们的实际特性和潜在用途，这可能包括耐火陶瓷和各种类型的催化剂。”

该团队使用具有机器学习原子间势能的CanonicalMonteCarlo(CMC)模拟，并进行第一性原理计算以确定单相和多相碳化物的合成温度。根据计算，低温合成主要是多相HECs，多相HECs有两相或多相共存的多组分碳化物，而1500℃以上合成则多为单相HECs。

“通过应用CMC方法，我们成功地预测了HEC在不同合成温度下的热力学稳定晶体结构，并因此找到了多相到单相的转变温度。我们在低于和高于转变点的温度下进行的实验证实了模拟结果。因此，我们能够实施完整的研究序列，从计算机模型一直到物理样本，”Skoltech博士说。来自AI材料科学小组笔记的学生VadimSotskov。