Ædelmetalfrit katalysatorsystem lige så aktivt som platin

Industrien bruger platinlegeringer som katalysatorer til iltreduktion, afgørende i brændselsceller og metal-luft-batterier, blandt andre applikationer. Dyrt og sjældent, at metal pålægger snævre restriktioner for fremstillingen. Forskere ved Ruhr-Universität Bochum (RUB) og Max-Planck-Institut für Eisenforschung har opdaget en femelementslegering, der er fri for ædelmetal og lige så aktiv som platin. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede energimaterialer .

De katalytiske egenskaber af ikke-ædle grundstoffer og deres legeringer er normalt dårlige. Til forskernes overraskelse, en legering bestående af fem næsten lige afbalancerede komponenter giver meget bedre egenskaber. Dette er på grund af den såkaldte højentropi-effekt:den får multinære legeringer til at opretholde en simpel krystalstruktur.

"Gennem samspillet mellem forskellige naboelementer, der dannes nye aktive centre, der præsenterer helt nye egenskaber og derfor ikke længere er bundet til de enkelte grundstoffers begrænsede egenskaber, " forklarer Tobias Löffler, Ph.D. studerende ved RUB Chair of Analytical Chemistry—Center for Electrochemical Sciences ledet af professor Wolfgang Schuhmann. "Vores forskning har vist, at denne legering kan være relevant for katalyse."

Generering af legeringsnanopartikelbiblioteker

Søger efter et alternativ til platin, forskere ved RUB Chair of Materials for Microtechnology under ledelse af professor Alfred Ludwig implementerede en særlig metode til at generere et legeringsnanopartikelbibliotek af fem kildeelementer. Deres atomer blandes i plasma og danner nanopartikler i et substrat af ionisk væske. Væsken placeres i små hulrum på en bærer.

Hvis nanopartiklerne er placeret i nærheden af ​​den respektive atomkilde, procentdelen af ​​atomer fra den kilde er højere i den respektive partikel. I midten af ​​transportøren, alle fem grundstoffer er til stede i mere eller mindre lige store mængder. "Denne kombinatoriske proces gør os i stand til præcist at kontrollere sammensætningen af ​​legeringsnanopartikler hvor som helst i materialebiblioteket, siger Alfred Ludwig.

Optimeret sammensætning

Ledet af professor Christina Scheu, forskerholdet ved Max-Planck-Institut für Eisenforschung analyserede nanopartiklerne ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi. RUB-kemikere bestemte deres katalytiske aktivitet og sammenlignede den med platinnanopartiklers. I processen, de identificerede et system bestående af fem elementer, hvor den høje entropi-effekt resulterer i katalytisk aktivitet for en iltreduktion, der ligner platin. Ved at optimere sammensætningen yderligere, de forbedrede med succes den overordnede aktivitet.

"Disse resultater kan have vidtrækkende konsekvenser for elektrokatalyse generelt, " siger Wolfgang Schuhmann. Forskerne håber at kunne tilpasse egenskaberne til eventuelle nødvendige reaktioner ved at drage fordel af det næsten uendelige antal mulige kombinationer af elementerne og modifikationer af deres sammensætning. anvendelsen vil ikke nødvendigvis være begrænset til iltreduktion, " siger Ludwig. Forskerholdet har allerede søgt om patent.

Imidlertid, da samspillet mellem elementerne ikke er fuldt ud forstået, forskerne kan endnu ikke udvikle nogle specifikke katalysatorer. "Dette forskningsprojekt lægger grundlaget for yderligere undersøgelser for at få en bedre forståelse af processen, og det introducerer højentropi-legeringer, der består af flere elementer som en ny katalysatorkategori, siger Ludwig.