Contrairement aux alliages conventionnels, qui incorporent généralement de petites quantités d’un ou deux métaux supplémentaires, les HEA constituent une solution solide de cinq métaux ou plus dans un rapport atomique égal. Cette composition unique donne lieu à des structures de surface uniques et complexes contenant de nombreux sites actifs différents adaptés aux réactions catalytiques. En conséquence, ces dernières années, les nanoparticules HEA (NP) ont été largement étudiées pour leur potentiel catalytique.

Cependant, malgré leur potentiel, les HEA NP n’ont jamais été utilisées comme catalyseurs pour la croissance de nanotubes de carbone à simple paroi (SWCNT). Les SWCNT, des tubes nanométriques constitués de carbone, présentent des propriétés remarquables telles qu'une résistance exceptionnelle et une conductivité thermique et électrique, ce qui les rend précieux dans de nombreux domaines tels que les composants de batteries et les biocapteurs pour les applications biomédicales et agricoles.

Par conséquent, il existe un besoin urgent de méthodes de synthèse efficaces pour les SWCNT, ce qui nécessite le développement de catalyseurs efficaces.

Dans une étude pionnière, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur Takahiro Maruyama du département de chimie appliquée de l'université Meijo, a réalisé, pour la première fois, la croissance de SWCNT à l'aide de NP HEA.

"Les CNT recèlent un immense potentiel dans de nombreux domaines. Si nous parvenons à réduire leur coût de synthèse et à parvenir à une croissance sélective des SWCNT grâce à l'amélioration des catalyseurs, cela pourrait ouvrir la voie à des dispositifs à grande vitesse et à divers capteurs optiques, rendant ainsi nos vies plus confortables", déclare le professeur. Maruyama.

Dans des études précédentes, l'équipe du professeur Maruyama a réussi à développer des SWCNT en utilisant des métaux uniques tels que l'iridium, le platine et le rhodium comme catalyseurs. S'appuyant sur leurs découvertes, dans cette étude, ils ont utilisé des NP HEA composées de cinq métaux du groupe du platine (5 PGM), dont le rhodium, le rubidium, le palladium, l'iridium et le platine.

Le professeur Maruyama explique :"Considérant que les NP HEA PGM ont souvent des activités plus élevées que les catalyseurs PGM individuels, nous avons émis l'hypothèse que les NP HEA composées de PGM pourraient agir comme des catalyseurs hautement actifs pour la croissance des SWCNT."

L’équipe a synthétisé les SWCNT par le processus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), dans lequel les SWCNT sont cultivés en déposant des couches de matériaux atome par atome sur une surface solide sous vide. Le CVD a été réalisé en utilisant de l'acétylène comme matière première à 750 ⁰ C pendant 10 minutes avec les 5 PGM HEA NPs comme catalyseurs. Cela a abouti à la croissance de SWNCT haute densité avec des longueurs supérieures à 1 micromètre. De plus, l'analyse Raman a montré que les SWNCT avaient des diamètres compris entre 0,83 et 1,1 nanomètres.

Pour comparer les performances des HEA NP, ils ont également synthétisé des SWNCT en utilisant les métaux individuels comme catalyseurs, aux côtés du fer et du cobalt, les catalyseurs les plus couramment utilisés pour obtenir des SWCNT à haut rendement dans le même processus CVD. Les expériences ont révélé que l'activité catalytique des NP HEA était considérablement supérieure à celle des métaux PGM individuels et comparable à celle du fer et du cobalt.

L'équipe a attribué cette activité élevée à la structure de surface unique des NP HEA qui fournissent divers sites actifs pour la réaction catalytique en raison de la diversité de leur structure atomique.

"Nos résultats montrent que 5 PGM HEA NP sont parfaitement adaptés à la croissance de SWNCT de petit diamètre, ce qui représente une toute nouvelle mise en relation entre les matériaux. De plus, compte tenu des innombrables combinaisons possibles pour la composition des HEA, notre étude peut ouvrir la voie à des catalyseurs encore supérieurs. ", déclare le professeur Takamura.

Dans l'ensemble, cette étude démontre l'efficacité des NP HEA en tant que catalyseurs pour la croissance de SWCNTS de haute qualité, ouvrant ainsi de nouvelles voies dans la recherche sur les nanotubes de carbone.

La recherche est publiée dans la revue Applied Physics Express .