Challenging thermodynamics: combining immiscible elements in a single-phase nano-ceramic

陶瓷 材料科学 亚稳态 纳米壳 相(物质) 多孔性 烧结 热力学 尼亚尔 化学工程 纳米颗粒 纳米- 纳米技术 化学 金属间化合物 冶金 复合材料 有机化学 物理 合金 工程类
作者
Shuo Liu,Chaochao Dun,Qike Jiang,Zhengxi Xuan,Feipeng Yang,Jinghua Guo,Jeffrey J. Urban,Mark T. Swihart
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:3
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45413-w
摘要

Abstract The Hume-Rothery rules governing solid-state miscibility limit the compositional space for new inorganic material discovery. Here, we report a non-equilibrium, one-step, and scalable flame synthesis method to overcome thermodynamic limits and incorporate immiscible elements into single phase ceramic nanoshells. Starting from prototype examples including (NiMg)O, (NiAl)O x , and (NiZr)O x , we then extend this method to a broad range of Ni-containing ceramic solid solutions, and finally to general binary combinations of elements. Furthermore, we report an “encapsulated exsolution” phenomenon observed upon reducing the metastable porous (Ni 0.07 Al 0.93 )O x to create ultra-stable Ni nanoparticles embedded within the walls of porous Al 2 O 3 nanoshells. This nanoconfined structure demonstrated high sintering resistance during 640 h of catalysis of CO 2 reforming of methane, maintaining constant 96% CH 4 and CO 2 conversion at 800 °C and dramatically outperforming conventional catalysts. Our findings could greatly expand opportunities to develop novel inorganic energy, structural, and functional materials.
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