Hurtig screening for potentielle nye katalysatorer

Et nyt koncept gør det muligt at identificere de mest lovende blandt en overflod af mulige elementkombinationer.

Succesen med energiomstillingen afhænger i høj grad af effektive elektrokatalysatorer, for eksempel til brændselsceller eller reduktion af CO ₂ . Særlige legeringer fremstillet af fem eller flere elementer er lovende kandidater. Et team af forskere fra Ruhr-Universität Bochum (RUB) har udviklet et koncept for hurtigt at screene en overflod af mulige elementkombinationer for at identificere, hvilke der er værd at optimere. Det hjælper til direkte at fastslå potentialet af en mulig legering. Holdet rapporterer i journalen Angewandte Chemie International Edition den 22. december 2019.

Effektive katalysatorer lavet af billige og tilgængelige elementer

Forskernes håb med hensyn til nye katalysatorer fremstillet af billige og tilgængelige grundstoffer hviler på såkaldte komplekse faste løsninger, også kaldet højentropi legeringer. De består af fem eller flere elementer, der er homogent blandet og de forskelligartede, komplekse interaktioner, som muliggør finjusteringer af de relevante egenskaber. Vigtigere, det er ikke kun de enkelte elementers egenskaber, der er afgørende, men frem for alt deres interaktion. "Dette åbner op for en bred vifte af ellers uopnåelige muligheder for samtidig at optimere pris og ydeevne til mulige anvendelser, " siger professor Wolfgang Schuhmann fra Center for Elektrokemiske Videnskaber ved RUB.

Imidlertid, grundlæggende viden om den nyligt opdagede nye katalysatorklasse mangler stadig. Hvilken information kunne tilvejebringes ved målinger for at gøre målrettede fremskridt inden for katalysatorudvikling? Hvordan hjælper dette med at finde den rigtige blandt de næsten uendelige mulige kombinationer? Hvilken effekt har udskiftning af et element på egenskaberne?

Fortolke resultater mere præcist

"Vi har udviklet et koncept, der gør os i stand til at forstå sammenhængen mellem udvælgelsen af ​​elementerne, teoretisk, aktivitetsdefinerende egenskaber, og faktisk målbare parametre, " rapporterer Tobias Löffler, en ph.d.-kandidat i elektrokemi. Da de komplekse faste opløsninger adskiller sig fra konventionelle elektrokatalysatorer på alle disse punkter, denne forståelse er grundlæggende for eksperimentelle fremskridt.

Forskerne står således over for den udfordring, at ikke kun kombinationen af ​​elementer, men også andelen af ​​hvert element er afgørende, og eventuelle afvigelser ændrer egenskaberne. "Vi viser, hvordan eksperimenter med en legering lavet af, for eksempel, fem lige store dele af hvert element kan fortolkes for at identificere elementkombinationen som potentielt aktiv, " forklarer Tobias Löffler. Forskerne er således i stand til hurtigt at identificere, om det kan betale sig at optimere proportionerne af elementerne. "Dette gør os i stand til at reducere screeningsbelastningen for mulige materialesammensætninger til en brøkdel uden at overse lovende kandidater, " forklarer Wolfgang Schuhmann. Uden denne viden, det er muligt, at kombinationer kunne filtreres fra ved hjælp af konventionelle evalueringer, selvom disse kunne være yderst interessante, hvis grundstofforholdene var optimeret. "Hvad mere er, dette koncept danner en hjørnesten i forståelsen af ​​denne materialeklasses komplekse virkemåde, som hjælper til bedre at forstå de mulige parametre, der kan justeres og dermed udlede lovende designkoncepter heraf."

Opmuntring af forskere

Forskerne testede disse konceptuelle overvejelser med udvalgte legeringer ved hjælp af iltreduktionsreaktionen, der er relevant for brændselsceller. De var i stand til at påvise, i hvilke tilfælde udskiftning eller tilføjelse af et element til en eksisterende elementkombination har en positiv effekt og omvendt. De var også i stand til at identificere kombinationer, der er egnede til yderligere optimering.

"For materialesyntese, dette betyder en enorm besparelse i tid og penge, siger professor Alfred Ludwig, Lærestol for materialeopdagelse og grænseflader hos RUB. "At producere og analysere alle de mulige grundstofforhold i en legering bestående af fem elementer er en stor udfordring. Ved at eliminere elementære forhindringer, Vi håber yderligere at lette adgangen til dette højaktuelle og teknologisk relevante felt og tilskynde flere forskere til at bidrage med deres respektive færdigheder."