Ny 2D-legering kombinerer fem metaller, nedbryder kuldioxid

Et todimensionelt legeringsmateriale – lavet af fem metaller i modsætning til de traditionelle to – er blevet udviklet i et samarbejde mellem forskere ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis og forskere ved College of Engineering ved University of Illinois i Chicago.

Og, i første omgang for et sådant materiale, det har vist sig at fungere som en fremragende katalysator til at reducere CO ₂ , ind i CO, med potentielle anvendelser inden for miljøsanering.

Forskningen, fra Rohan Mishras laboratorium, assisterende professor ved Institut for Mekanisk Teknik og Materialevidenskab ved Washington University, blev offentliggjort lørdag d. 26. juni, i journalen Avancerede materialer .

"Vi ser på at transformere kuldioxid, som er en drivhusgas, til kulilte, " sagde Mishra. "Carbonmonoxid kan kombineres med brint for at lave methanol. Det kunne være en måde at tage CO på ₂ fra luften og genbrug det tilbage til et kulbrinte."

Grundlaget for denne innovation er en klasse af materialer kendt som transition metal dichalcogenides (TMDC'er) - de omfatter overgangsmetaller og et chalcogen, som omfatter svovl, selen og tellur. Når en legering indeholder mere end tre metaller i næsten lige store forhold, det siges at være "høj entropi". Deraf det ordrige navn på materialet udviklet i Mishras laboratorium:high-entropy transition metal dichalcogenides.

TMDC'er er ikke nye. Der har været interesse for lignende todimensionelle former for disse materialer på grund af deres unikke optiske og elektroniske egenskaber, sagde Mishra. Men han havde en mistanke om, at de kunne bruges til noget andet.

"Vi har kigget på disse, også, men udforsker deres potentiale for elektrokatalyse, " fungerer som en katalysator for at lette kemiske reaktioner. Da de effektivt er todimensionelle (ca. tre atomer tykke), de giver effektive katalysatorer; reaktioner sker på overfladen af ​​et materiale, og et todimensionelt materiale har meget overfladeareal, og ikke meget andet. I en tidligere undersøgelse, også offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer i 2020, gruppen havde vist, at to-metal TMDC-legeringer viste forbedret katalytisk aktivitet i forhold til individuelle TMDC'er. "Dette førte os til spørgsmålet, kan tilføjelse af flere metaller til disse legeringer gøre endnu bedre katalysatorer?" sagde Mishra.

Med 10 anvendelige overgangsmetaller og tre kalkogener, der er 135 to-metal og 756 fem-metal mulige TMDC-legeringer. Imidlertid, ligesom olie og vand, ikke alle kombinationer vil blandes sammen for at danne en homogen legering.

"Uden vejledning fra beregninger, eksperimentelt at bestemme, hvilke elementarkombinationer der vil give en legering, bliver en trial-and-error-proces, der også er tidskrævende og dyr, " forklarede Mishra.

Alkymisten i dette tilfælde var John Cavin, en kandidatstuderende ved Washington University's Department of Physics in Arts &Sciences.

I det tidligere arbejde, Cavin havde vist hvilke to overgangsmetaller der kan kombineres, og ved hvilke temperaturer, at danne binære TMDCs-legeringer.

"Spørgsmålet var, "Kunne vi overhovedet syntetisere en TMDC-legering, der havde så mange komponenter?", sagde Cavin. "Og vil de forbedre reduktionen af ​​CO ₂ ind i CO?"

At finde ud af, han brugte kvantemekaniske beregninger til at forudsige, hvilke kombinationer der mest sandsynligt ville forbedre materialets evne til at katalysere CO ₂ . Så måtte han gå længere for at afgøre, om materialet ville være stabilt, men havde ingen redskaber til det. Så, han udviklede en selv.

"Jeg var nødt til at udvikle en termodynamisk model til at forudsige stabile højentropi TMDC-legeringer ud fra de kvantemekaniske beregninger, " sagde Cavin. Disse beregninger blev udført ved brug af betydelige supercomputerressourcer, stillet til rådighed af netværket Extreme Science and Engineering Discovery Environment, som er støttet af National Science Foundation.

Efter mange års udvikling, den resulterende analyse blev sendt til eksperimentelle samarbejdspartnere ved University of Illinois i Chicago.

"På UIC, de kunne syntetisere de materialer, som vi forudsagde ville danne en højentropi TMDC-legering, " sagde Mishra. "Desuden, en af ​​dem viste enestående aktivitet."

De kan have andre anvendelser, også. UIC syntetiserede tre af de fire forskellige TMDC-legeringer og vil fortsætte med at analysere dem.

"Dette er nye materialer, de er aldrig før blevet syntetiseret, " sagde Mishra. "De kan have uventede egenskaber."

Arbejdet stammer fra en DMREF-bevilling fra National Science Foundation som en del af Materials Genome Initiative lanceret af præsident Barack Obama i 2011 som et multi-agenturer initiativ til at skabe politik, ressourcer og infrastruktur, der understøtter amerikanske institutioner til at opdage, fremstille og implementere avancerede materialer effektivt og omkostningseffektivt.