Ett nytt koncept gör det möjligt att identifiera de mest lovande bland ett överflöd av möjliga elementkombinationer.

Framgången för energiomställningen beror i hög grad på effektiva elektrokatalysatorer, till exempel för bränsleceller eller reduktion av CO ₂ . Speciallegeringar gjorda av fem eller fler element är lovande kandidater. Ett team av forskare från Ruhr-Universität Bochum (RUB) har utvecklat ett koncept för att snabbt screena ett överflöd av möjliga elementkombinationer för att identifiera vilka som är värda att optimera. Det hjälper till att direkt fastställa potentialen hos en möjlig legering. Teamet rapporterar i journalen Angewandte Chemie International Edition den 22 december 2019.

Effektiva katalysatorer tillverkade av billiga och tillgängliga element

Forskarnas förhoppningar om nya katalysatorer gjorda av billiga och tillgängliga grundämnen vilar på så kallade komplexa fasta lösningar, även kallade högentropilegeringar. De består av fem eller flera element som är homogent blandade och de olika, komplexa interaktioner som möjliggör finjusteringar av de relevanta egenskaperna. Viktigt, det är inte bara egenskaperna hos de enskilda elementen som är avgörande utan framför allt deras samverkan. "Detta öppnar upp ett brett utbud av annars ouppnåeliga möjligheter för att samtidigt optimera pris och prestanda för möjliga applikationer, säger professor Wolfgang Schuhmann från Center for Electrochemical Sciences vid RUB.

Dock, grundläggande kunskap om den nyligen upptäckta nya katalysatorklassen saknas fortfarande. Vilken information skulle kunna tillhandahållas genom mätningar för att göra riktade framsteg inom katalysatorutvecklingen? Hur hjälper detta att hitta den rätta bland de nästan oändliga möjliga kombinationerna? Vilken effekt har ersättning av ett element på egenskaperna?

Tolka resultaten mer exakt

"Vi har utvecklat ett koncept som gör det möjligt för oss att förstå sambanden mellan urvalet av element, teoretisk, aktivitetsdefinierande egenskaper, och faktiskt mätbara parametrar, " rapporterar Tobias Löffler, doktorand i elektrokemi. Eftersom de komplexa fasta lösningarna skiljer sig från konventionella elektrokatalysatorer på alla dessa punkter, denna förståelse är grundläggande för experimentella framsteg.

Forskarna ställs alltså inför utmaningen att inte bara kombinationen av element utan även andelen av varje element är avgörande och eventuella avvikelser förändrar egenskaperna. "Vi visar hur experiment med en legering gjord av, till exempel, fem lika delar av varje element kan tolkas för att identifiera elementkombinationen som potentiellt aktiv, " förklarar Tobias Löffler. Forskarna kan därmed snabbt identifiera om det är värt att optimera proportionerna av elementen. "Detta gör det möjligt för oss att minska screeningarbetet för möjliga materialsammansättningar till en bråkdel utan att förbise lovande kandidater, "förklarar Wolfgang Schuhmann. Utan denna kunskap, det är möjligt att kombinationer skulle kunna filtreras bort med hjälp av konventionella utvärderingar även om dessa skulle kunna vara mycket intressanta om grundämneskvoterna optimerades. "Vad mer, detta koncept utgör en hörnsten för att förstå det komplexa verkningssättet för denna materialklass, vilket hjälper till att bättre förstå de möjliga parametrarna som kan justeras och därmed härleda lovande designkoncept från detta."

Uppmuntrar forskare

Forskarna testade dessa konceptuella överväganden med utvalda legeringar med hjälp av syrereduktionsreaktionen som är relevant för bränsleceller. De kunde visa i vilka fall att ersätta eller lägga till ett element till en befintlig elementkombination har en positiv effekt och vice versa. De kunde också identifiera kombinationer som är lämpliga för ytterligare optimering.

"För materialsyntes, detta innebär en enorm besparing i tid och pengar, säger professor Alfred Ludwig, Stol för materialupptäckt och gränssnitt på RUB. "Att producera och analysera alla möjliga grundämnesförhållanden för en legering som består av fem element är en enorm utmaning. Genom att eliminera elementära hinder, vi hoppas att ytterligare underlätta tillgången till detta högaktuella och tekniskt relevanta område och uppmuntra fler forskare att bidra med sina respektive färdigheter."