Skanning av transmissionselektronmikroskopbilder av en högentropiövergångsmetall dikalkogenidlegeringsflinga i sin helhet och en atomupplöst sektion. Monokromatiska bilder visar fördelningen av olika element. Kredit:Mishra Lab
Ett tvådimensionellt legeringsmaterial – tillverkat av fem metaller i motsats till de traditionella två – har utvecklats i ett samarbete mellan forskare vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis och forskare vid College of Engineering vid University of Illinois i Chicago.
Och, i en första för ett sådant material, det har visat sig fungera som en utmärkt katalysator för att minska CO 2 , till CO, med potentiella tillämpningar inom miljösanering.
Forskningen, från Rohan Mishras labb, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik och materialvetenskap vid Washington University, publicerades i lördags, 26 juni, i journalen Avancerade material .
"Vi tittar på att omvandla koldioxid, som är en växthusgas, till kolmonoxid, "Mishra sade. "Kolmonoxidburken kombineras med väte för att göra metanol. Det kan vara ett sätt att ta CO 2 från luften och återvinn det till ett kolväte."
Grunden för denna innovation är en klass av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMDC) – de inkluderar övergångsmetaller och en kalkogen, som inkluderar svavel, selen och tellur. När en legering innehåller mer än tre metaller i nästan lika förhållanden, det sägs vara "hög entropi". Därav det ordrika namnet på materialet som utvecklats i Mishras labb:dikalkogenider av övergångsmetall med hög entropi.
TMDC:er är inte nya. Det har funnits intresse för liknande tvådimensionella former av dessa material på grund av deras unika optiska och elektroniska egenskaper, sa Mishra. Men han hade en misstanke om att de kunde användas till något annat.
"Vi har tittat på dessa, för, men undersöker deras potential för elektrokatalys, " fungerar som en katalysator för att underlätta kemiska reaktioner. Eftersom de är tvådimensionella (cirka tre atomer tjocka), de skapar effektiva katalysatorer; reaktioner sker på ytan av ett material, och ett tvådimensionellt material har mycket yta, och inte mycket annat. I en tidigare studie, även publicerad i tidskriften Avancerade material år 2020, gruppen hade visat att tvåmetall-TMDC-legeringar visade förbättrad katalytisk aktivitet jämfört med enskilda TMDC. "Detta ledde oss till frågan, kan tillsats av fler metaller till dessa legeringar göra ännu bättre katalysatorer?" sa Mishra.
Med 10 tillämpliga övergångsmetaller och tre kalkogener, det finns 135 tvåmetaller och 756 femmetaller möjliga TMDC-legeringar. Dock, precis som olja och vatten, inte alla kombinationer kommer att blandas för att bilda en homogen legering.
"Utan vägledning från beräkningar, att experimentellt bestämma vilka elementarkombinationer som ger en legering blir en trial-and-error-process som också är tidskrävande och dyr, " förklarade Mishra.
Alkemisten i det här fallet var John Cavin, en doktorand vid Washington University's Department of Physics in Arts &Sciences.
I det tidigare arbetet, Cavin hade visat vilka två övergångsmetaller som kan kombineras, och vid vilka temperaturer, för att bilda binära TMDC-legeringar.
"Frågan var, "Kan vi ens syntetisera en TMDC-legering som hade så många komponenter?", sa Cavin. "Och kommer de att förbättra minskningen av CO 2 till CO?"
Att få reda på, han använde kvantmekaniska beräkningar för att förutsäga vilka kombinationer som mest sannolikt skulle förbättra materialets förmåga att katalysera CO 2 . Sedan var han tvungen att gå längre för att avgöra om materialet skulle vara stabilt, men hade inga verktyg för att göra det. Så, han utvecklade en själv.
"Jag var tvungen att utveckla en termodynamisk modell för att förutsäga stabila högentropi TMDC-legeringar från de kvantmekaniska beräkningarna, " sa Cavin. Dessa beräkningar utfördes med avsevärda superdatorresurser, tillgängligt av nätverket Extreme Science and Engineering Discovery Environment, som stöds av National Science Foundation.
Efter år av utveckling, den resulterande analysen skickades till experimentella medarbetare vid University of Illinois i Chicago.
"På UIC, de kunde syntetisera materialen som vi förutspådde skulle bilda en högentropi TMDC-legering, " sade Mishra. "Dessutom, en av dem visade exceptionell aktivitet."
De kan ha andra användningsområden, för. UIC syntetiserade tre av de fyra olika TMDC-legeringarna och kommer att fortsätta att analysera dem.
"Det här är nya material, de har aldrig tidigare syntetiserats, " Sa Mishra. "De kan ha oväntade egenskaper."
Arbetet härrör från ett DMREF-anslag från National Science Foundation som en del av Materials Genome Initiative som lanserades av president Barack Obama 2011 som ett initiativ från flera instanser för att skapa policy, resurser och infrastruktur som stödjer amerikanska institutioner att upptäcka, tillverka och distribuera avancerade material effektivt och kostnadseffektivt.
