Industrin använder platinalegeringar som katalysatorer för syrereduktion, väsentliga i bränsleceller och metall-luftbatterier, bland andra applikationer. Dyrt och sällsynt, att metall sätter hårda restriktioner på tillverkningen. Forskare vid Ruhr-Universität Bochum (RUB) och Max-Planck-Institut für Eisenforschung har upptäckt en femelementslegering som är ädelmetallfri och lika aktiv som platina. Deras resultat publiceras i tidskriften Avancerade energimaterial .

De katalytiska egenskaperna hos icke-ädla grundämnen och deras legeringar är vanligtvis dåliga. Till forskarnas förvåning, en legering som består av fem nästan lika balanserade komponenter ger mycket bättre egenskaper. Detta beror på den så kallade höga entropieffekten:den får multinära legeringar att bibehålla en enkel kristallstruktur.

"Genom samverkan mellan olika angränsande element, nya aktiva centra bildas som presenterar helt nya egenskaper och därför inte längre är bundna till de individuella elementens begränsade egenskaper, " förklarar Tobias Löffler, Ph.D. student vid RUB Chair of Analytical Chemistry—Center for Electrochemical Sciences under ledning av professor Wolfgang Schuhmann. "Vår forskning har visat att denna legering kan vara relevant för katalys."

Generering av legeringsnanopartikelbibliotek

Söker efter ett alternativ till platina, forskare vid RUB Chair of Materials for Microtechnology under ledning av professor Alfred Ludwig använde en speciell metod för att generera ett legerat nanopartikelbibliotek med fem källelement. Deras atomer blandas i plasma och bildar nanopartiklar i ett substrat av jonisk vätska. Vätskan placeras i små håligheter på en bärare.

Om nanopartiklarna är belägna i närheten av respektive atomkälla, procentandelen atomer från den källan är högre i respektive partikel. I mitten av bäraren, alla fem grundämnen är närvarande i mer eller mindre lika stora mängder. "Denna kombinatoriska process gör det möjligt för oss att exakt kontrollera sammansättningen av legeringsnanopartiklarna var som helst i materialbiblioteket, säger Alfred Ludwig.

Optimerad sammansättning

Leds av professor Christina Scheu, forskargruppen vid Max-Planck-Institut für Eisenforschung analyserade nanopartiklarna med hjälp av transmissionselektronmikroskopi. RUB-kemister bestämde deras katalytiska aktivitet och jämförde den med platinananopartiklars. I processen, de identifierade ett system som består av fem element där den höga entropieffekten resulterar i katalytisk aktivitet för en syrereduktion som liknar platinas. Genom att optimera sammansättningen ytterligare, de förbättrade framgångsrikt den övergripande aktiviteten.

"Dessa fynd kan få långtgående konsekvenser för elektrokatalys i allmänhet, " säger Wolfgang Schuhmann. Forskarna hoppas kunna anpassa egenskaperna för alla nödvändiga reaktioner genom att dra fördel av det nästan oändliga antalet möjliga kombinationer av elementen och modifieringar av deras sammansättning. applikationen kommer inte nödvändigtvis att vara begränsad till syrereduktion, " säger Ludwig. Forskargruppen har redan ansökt om patent.

Dock, eftersom samspelet mellan elementen inte är helt förstått, forskarna kan ännu inte utveckla några specifika katalysatorer. "Detta forskningsprojekt lägger grunden för ytterligare studier för att få en bättre förståelse av processen, och den introducerar högentropilegeringar som består av flera element som en ny katalysatorkategori, säger Ludwig.