High Entropy Rare-Earth Molybdate Ceramics with Broad Operating-Temperature Window and Anti-Hygroscopicity Ability: A Promising Strategy for Negative Thermal Expansion Materials

负热膨胀 热膨胀 正交晶系 离子半径 陶瓷 材料科学 晶体结构 矿物学 热力学 分析化学(期刊) 离子 化学 结晶学 复合材料 物理 有机化学 色谱法
作者
Wenjuan Zhang,Zhanqiang Li,Zijian Zhou,Fan Yang,Zhaoli Liu,Liyan Xue,Heng Chen,Yong Zheng
出处
期刊: [American Chemical Society]
卷期号:1 (2): 841-850 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsaenm.2c00237
摘要

Negative thermal expansion (NTE) has been an attractive topic in engineering application and functional materials. However, the narrow operating-temperature window and the hygroscopicity have become bottlenecks restricting the NTE behavior. In this work, a design strategy for effectively ameliorating the NTE property, rare-earth based high-entropy (Y 0.2 Yb 0.2 Er 0.2 Tm 0.2 A 0.2 ) 2 Mo 3 O 12 (A = Sc, Gd, Lu) (HE-RE 2 Mo 3 O 12 ) ceramics, is demonstrated for the first time. The as-synthesized HE-RE 2 Mo 3 O 12 ceramics exhibit an orthorhombic crystal structure with a uniform distribution of rare-earth elements. Furthermore, the coefficients of thermal expansion (CTEs) of (Y 0.2 Yb 0.2 Er 0.2 Tm 0.2 Sc 0.2 ) 2 Mo 3 O 12 and (Y 0.2 Yb 0.2 Er 0.2 Tm 0.2 Lu 0.2 ) 2 Mo 3 O 12 ceramics are −4.96 × 10 –6 K –1 and −4.58 × 10 –6 K –1 with high service temperatures (100–800 °C). Fascinatingly, the large ionic radius Gd(III) is incorporated into the orthorhombic (Y 0.2 Yb 0.2 Er 0.2 Tm 0.2 Gd 0.2 ) 2 Mo 3 O 12 ceramic, and a lower negative thermal expansion property (−0.76 × 10 –6 K –1 ) with broad operating-temperature window (100–800 °C) is achieved. Remarkably, the antihygroscopicity ability of the high-entropy specimens is improved, and the water absorption of such ceramics is reduced by 61.4%. Moreover, the improvements of the tunable thermal expansion and antihygroscopicity property of HE-RE 2 Mo 3 O 12 ceramics are ascribed to the lattice distortion effect. The present study provides a promising strategy for the development of NTE functional materials.
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