Många kemiska reaktioner som är relevanta för nya energikällor är mycket komplexa och resulterar i betydande energiförluster. Således, energiomvandlings- och lagringssystem eller bränsleceller används ännu inte i stor utsträckning i kommersiella tillämpningar. Forskare vid Ruhr-Universität Bochum (RUB) och Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Düsseldorf rapporterar nu om en ny klass av katalysatorer som är teoretiskt lämpliga för universell användning.

Dessa så kallade högentropilegeringar bildas genom att blanda nära lika proportioner av fem eller fler element. De kanske äntligen tänjer på gränserna för traditionella katalysatorer som har varit oöverträffliga i årtionden. Forskargruppen beskriver deras ovanliga elektrokatalytiska arbetsprinciper såväl som deras potential för systematisk tillämpning i tidskriften ACS Energibrev .

Materialbibliotek för elektrokatalysforskning

Materialklassen av högentropilegeringar har fysikaliska egenskaper som har stor potential för många tillämpningar. Vid syrereduktion, de har redan nått aktiviteten hos en platinakatalysator.

"På vår avdelning, vi har unika metoder till vårt förfogande för att tillverka dessa komplexa material från fem källelement i olika sammansättningar i form av tunnfilms- eller nanopartikelbibliotek, " förklarar professor Alfred Ludwig från ordföranden för material för mikroteknologi vid RUB. Källelementens atomer blandas i plasma och bildar nanopartiklar i ett substrat av jonisk vätska. Om nanopartiklarna är belägna i närheten av respektive atomkälla, procentandelen atomer från den källan är högre i respektive partikel. "Mycket begränsad forskning har ännu utförts om användningen av sådana material i elektrokatalys, säger Ludwig.

Manipulera individuella reaktionssteg

Detta förväntas förändras inom en snar framtid. Forskarna har postulerat att den unika interaktionen mellan olika närliggande element kan bana väg för att ersätta ädelmetaller med likvärdiga material. "Vår senaste forskning har avslöjat andra unika egenskaper, till exempel det faktum att denna klass också kan påverka det ömsesidiga beroendet mellan individuella reaktionssteg, säger Tobias Löffler, Ph.D. forskare vid Centrum för elektrokemiska vetenskaper vid RUB-stolen för analytisk kemi. "Således, det skulle bidra till att lösa ett av de stora problemen med många energiomvandlingsreaktioner, nämligen annars oundvikliga stora energiförluster. De teoretiska möjligheterna verkar nästan för bra för att vara sanna."

Grund för pågående forskning

För att främja snabba framsteg, teamet från Bochum och Düsseldorf har beskrivit sina första fynd i syfte att tolka första karakteristiska observationer, beskriva utmaningarna, och lägga fram första riktlinjer – som alla bidrar till att främja forskningen. "Komplexiteten hos legeringen återspeglas i forskningsresultaten, och många analyser kommer att behövas innan man kan bedöma dess faktiska potential. Fortfarande, inget av fynden hittills utesluter ett genombrott, " antar professor Wolfgang Schuhmann, Ordförande för analytisk kemi vid RUB.

Visualisering i 3D

Karakteriseringen av katalysatornanopartiklar, för, främjar forskning. "För att få en indikation på hur exakt, aktiviteten påverkas av strukturen, Högupplöst visualisering av katalysatorytan på atomnivå är ett användbart verktyg, helst i 3D, " säger professor Christina Scheu från Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Düsseldorf. Forskare har redan visat att detta är ett uppnåeligt mål - om det ännu inte tillämpas på denna klass av katalysatorer.

Frågan om sådana katalysatorer kommer att underlätta övergången till hållbar energihushållning återstår att besvara. "Med våra studier, vi avser att lägga grunden för pågående forskning inom detta område, " avslutar författarna.