Preparation of High Entropy Alloy Nanoparticles with Flash Lamp Annealing

• Project Area: High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity
• Project/Area Number: 21H00138
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 米澤 徹 北海道大学, 工学研究院, 教授 (90284538)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: ナノ粒子 / 高エントロピー合金 / 還元 / 非平衡凝集 / 非平衡 / 凝集 / 高エントロピー / 合金 / 固溶体 / 多元素 / 金属錯体

Outline of Research at the Start

本研究では、高エントロピー合金(HEA)ナノ粒子を金属塩や有機金属錯体にフラッシュランプによってキセノンの強力短時間フラッシュ発光を照射して急速加熱することで非平衡的に還元・原子凝集させてHEAナノ粒子を得て、その物性評価を行う。金属イオン混合物に対する強力光の短時間パルス照射によるHEAナノ粒子の報告例はこれまでない。5種類以上の金属イオンの混合物にフラッシュランプが短時間（マイクロ秒）パルス的に照射された場合、一気に全ての金属イオンがフラッシュランプ照射により一瞬で還元され、対応する金属原子が一気に発生し、それが非平衡的に凝集してHEAナノ粒子化することが期待される。

Outline of Annual Research Achievements

フラッシュランプアニール法での高エントロピー合金ナノ粒子の合成に挑戦した。遷移金属と貴金属、5種類ずつを選び、それぞれのイオンを担体に担持してフラッシュランプアニールを行った。このとき、アニール効率をあげるために、キセノンランプの波長を吸収しやすい担体を用い、担体粉末を設置する基板にシリコンを使用し、照射したところ、一定のエネルギ量を与えた場合に、ナノ粒子が生成した。遷移金属の場合には、固溶体合金は得られなかった。得られた貴金属ナノ粒子についてXRDで詳細に検証したところ、得られたピークはブロードで結晶子サイズがシングルナノレベルであることが示唆され、さらにどの単一金属ピークとも合致していなかった。このことは固溶体として各元素が一つの粒子の中に入り、合金化していることを強く示唆していた。他の担体でも同様に挑戦したところ、イオンの吸着が難しいからか合金化がまだできてはいない。また、得られたナノ粒子について、原子分解走査透過型電子顕微鏡で観察をしたところ、1つの粒子に5種類の金属がほぼ等モル量含まれていることがEDS元素分析およびそのマッピング像から明らかとなった。フラッシュランプアニールでは、マイクロ秒オーダーの光照射時に金属イオンが同時還元され、非平衡的に凝集し固溶体合金ナノ粒子が得られるものと考えられる。また、高分解電顕観察では、カーボンが粒子を覆っている様子は見受けられず、カーボンを短時間加熱することで得るナノ粒子と異なり、触媒に適用しやすい可能性が示唆された。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チュラロンコン大学(タイ)
• [Int'l Joint Research] チュラロンコン大学(タイ)
• [Journal Article] Mechanistic consideration of ZnTe microspheres formation in a PVP-contained polyol system via hot injection method (2023)
  • Author(s): Yuen-ting Rachel Chau, Mai Thanh Nguyen, Tomoharu Tokunaga, and Tetsu Yonezawa
  • Journal Title: Advanced Powder Technology Volume: 34 Issue: 4 Pages: 103970-103970
  • DOI: 10.1016/j.apt.2023.103970
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancing electrochemical performance and stabilizing zinc anode in mild acidic electrolyte using combined additive (2023)
  • Author(s): Shiva Rezaei Motlagh, Ramin Khezri, Ahmad Azmin Mohamad, Rojana Pornprasertsuk, Pinit Kidkhunthod, Mai Thanh Nguyen, Tetsu Yonezawa, Soorathep Kheawhom
  • Journal Title: Materials Science for Energy Technologies Volume: 6 Pages: 178-191
  • DOI: 10.1016/j.mset.2022.12.011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Co-sputtered CuPt/Ag alloy nanoparticles and comparative catalytic performance of mono-, bi-, and tri-metallic nanoparticles in the oxygen reduction reaction (2022)
  • Author(s): Zhu Mingbei、Nguyen Mai Thanh、Sim Wei Jian、Yonezawa Tetsu
  • Journal Title: Materials Advances Volume: 3 Issue: 24 Pages: 8967-8976
  • DOI: 10.1039/d2ma00688j
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mixed-Metal-Atom Markers Enable Simultaneous Imaging of Spatial Distribution in Two-Dimensional Heterogeneous Molecular Assembly by Scanning Transmission Electron Microscopy (2022)
  • Author(s): Ikumi Akita, Yohei Ishida, Tetsu Yonezawa
  • Journal Title: ACS Meas. Sci. Au Volume: 2 Issue: 6 Pages: 542-546
  • DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00043
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sputter Deposited Binder-Free Nanopyramidal Cr/γ-Mo2N TFEs for High Performance Supercapacitors (2022)
  • Author(s): Durai Govindarajan, Nithyadharseni Palaniyandy, Karthik Kumar Chinnakutti, Mai Thanh Nguyen, Tetsu Yonezawa, Jiaqian Qin, and Soorathep Kheawhom
  • Journal Title: Nanoscale Research Letters Volume: 17 Issue: 1 Pages: 65-65
  • DOI: 10.1186/s11671-022-03704-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ball mill-assisted synthesis of NiFeCo-NC as bifunctional oxygen electrocatalysts for rechargeable zinc-air batteries (2022)
  • Author(s): Mohammad Etesami, Ramin Khezri, Ali Abbasi, Mai Thanh Nguyen, Tetsu Yonezawa, Soorathep Kheawhom, Anongnat Somwangthanaroj
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 922 Pages: 166287-166287
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.166287
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CoxNi1-xO-NiCo2O4/rGO Synergistic Bifunctional Electrocatalysts for High-Rate Rechargeable Zinc-Air Battery (2022)
  • Author(s): Zixuan Huang, Mai Thanh Nguyen, Wei Jian Sim, Masayuki Takahashi, Soorathep Kheawhom, Tetsu Yonezawa
  • Journal Title: Sustainable Energy & Fuels Volume: 6 Issue: 17 Pages: 3931-3943
  • DOI: 10.1039/d2se00606e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficient iron-cobalt oxide bifunctional electrode catalyst in rechargeable high current density zinc-air battery (2022)
  • Author(s): Wei Jian Sim, Mai Thanh Nguyen, Zixuan Huang, Soorathep Kheawhom, Chularat Wattanakit, and Tetsu Yonezawa
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 14 Issue: 22 Pages: 8012-8022
  • DOI: 10.1039/d2nr01258h
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact of Morphology and Transition Metal Doping of Vanadate Nanowires without Surface Modification on the Performance of Aqueous Zinc-Ion Batteries (2022)
  • Author(s): Mai Thanh Nguyen, Tatsuki Muramatsu, Soorathep Kheawhom, Chularat Wattanakit, Tetsu Yonezawa
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 印刷中 Issue: 5 Pages: 728-734
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210427
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Control of nanoparticles synthesized via vacuum sputter deposition onto liquid: a review (2021)
  • Author(s): Mai Thanh Nguyen, Lianlian Deng, and Tetsu Yonezawa
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 18 Issue: 1 Pages: 19-47
  • DOI: 10.1039/d1sm01002f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Benchmarking superfast electrodeposited bimetallic (Ni, Fe, Co, and Cu) hydroxides for oxygen evolution reaction (2021)
  • Author(s): Mohammad Etesami, Ahmad Azmin Mohamad, Mai Thanh Nguyen, Tetsu Yonezawa, Rojana Pornprasertsuk, Anongnat Somwangthanaroj, and Soorathep Kheawhom
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 889 Pages: 161738-161738
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.161738
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pt/Ag Solid Solution Alloy Nanoparticles in Miscibility Gaps Synthesized by Cosputtering onto Liquid Polymers (2021)
  • Author(s): Zhu Mingbei、Nguyen Mai Thanh、Chau Yuen-ting Rachel、Deng Lianlian、Yonezawa Tetsu
  • Journal Title: Langmuir Volume: 37 Issue: 19 Pages: 6096-6105
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c00916
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Monitor the Growth of ZnTe Microspheres in a PVP-contained Polyol System (2023)
  • Author(s): Yuen-ting Rachel Chau，Mai Thanh Nguyen，Tetsu Yonezawa
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会
• [Presentation] 亜鉛空気フロー電池に用いる遷移金属酸化物ナノ粒子触媒」 (2023)
  • Author(s): Wei Jian Sim，Mai Thanh Nguyen，米澤 徹
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会
• [Presentation] 白金族高エントロピー合金ナノ粒子のフラッシュランプアニール合成 (2023)
  • Author(s): 新開裕二，米澤 徹
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会
• [Presentation] Graphene Oxide Hybridized Transition Metal Oxide Catalysts for Zinc-Air Flow Cell (2023)
  • Author(s): Sim Wei Jian, Mai Thanh Nguyen, Soorathep Kheawhom, and Tetsu Yonezawa
  • Organizer: International Conference on Flow Battery 2023 (ICFlowBatt2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transition Metal Oxide Catalyst on Reduced Graphene Oxide for High Current Operations of ZincAir Battery (2023)
  • Author(s): Tetsu Yonezawa
  • Organizer: The 4th Materials Research Society Thailand International Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] フラッシュランプアニール法を用いた貴金属高エントロピー合金ナノ粒子の合成 (2023)
  • Author(s): 新開裕二・米澤 徹
  • Organizer: 2022年度日本鉄鋼協会・日本金属学会両北海道支部合同冬季講演大会
• [Presentation] Transition Multi Metal Oxide Catalyst Activation by Graphene Oxide Hybridization for High Current Zinc-Air Battery Operations (2022)
  • Author(s): Tetsu Yonezawa
  • Organizer: The International Conference on Nanospace Materials 2022（ICNM2022）
  • Invited
• [Presentation] フラッシュランプアニールによる白金族ハイエントロピー合金ナノ粒子の合成 (2022)
  • Author(s): 新開裕二・米澤 徹
  • Organizer: 令和4年度日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会
• [Presentation] ホットインジェクション法によるZnTe微粒子の形成スキーム (2022)
  • Author(s): チャウ ユエンティン レイチェル・グエン タンマイ・米澤 徹
  • Organizer: 第73回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] Pt/Ag Solid Solution Alloy Nanoparticles Co-sputtered onto Liquid Polyethylene Glycol Substrate (2022)
  • Author(s): Mingbei Zhu, Mai Thanh Nguyen, Tetsu Yonezawa
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress
  • Invited
• [Presentation] Graphene Oxide Induced Iron Cobalt Spinel Oxide Nanoparticles as Bifunctional Catalyst in Zinc-Air Battery (2022)
  • Author(s): Wei Jian Sim・Zixuan Huang・Masayuki Takahashi・Mai Thanh Nguyen・Tetsu Yonezawa
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2022年冬季研究発表会
• [Presentation] Cobalt Nickel Oxides Embedded on reduced graphene oxide as Catalysts for Rechargeable Zinc-air Battery (2022)
  • Author(s): Zixuan Huang・Wei Jian Sim・Tetsu Yonezawa・Thanh Mai Nguyen・Masayuki Takahashi
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2022年冬季研究発表会
• [Presentation] 酸化グラフェン(GO)上におけるFe-Co-Ni合金ナノ粒子の化学合成 (2022)
  • Author(s): 新開裕二・米澤 徹
  • Organizer: 2021年度日本金属学会・日本鉄鋼協会両北海道支部合同冬季講演大会
• [Presentation] Iron cobalt oxide nanoparticles supported on reduced graphene oxide bifunctional catalyst in high current density zinc-air battery (2021)
  • Author(s): Wei Jen Sim, Mai Thanh Nguyen, and Tetsu Yonezawa
  • Organizer: The 5th A3 Foresight Symposium on Organic/Inorganic Nanohybrid Platforms for Precision Tumor Imaging and Therapy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sputtering onto a liquid for synthesis of nanoparticles: particle size, aggregation state, composition, and alloy formation (2021)
  • Author(s): Mai Thanh Nguyen and Tetsu Yonezawa
  • Organizer: 第72回コロイドおよび界面化学討論会
  • Invited
• [Remarks] 先進材料ハイブリッド工学研究室
  • URL: https://nanoparticle.hokkaido.university/
• [Remarks] 先進材料ハイブリッド工学研究室
  • URL: https://nanoparticle.hokkaido.university