Legering är ett magiskt trick som används för att producera nya material genom att synergistiskt blanda minst två metalliska element för att bilda en fast lösning. Den senaste utvecklingen inom vetenskap har funnit stora tillämpningar av legeringsmaterial i katalys, för vilka nanometer skala bi- eller tri-metalliska partiklar används för att påskynda hastigheten av kemiska reaktioner. Men tillämpningen av legeringar som katalysatorer begränsas av så kallad "blandbarhet, "eftersom ingen godtycklig kombination av element kan bilda en homogen legering, inte heller för robust inställning av förhållandet mellan de två komponenterna.

Rapporterade i Naturkommunikation Denna vecka, ett forskargrupp ledd av Johns Hopkins University -forskaren Chao Wang, arbeta med medarbetare från University of Maryland, University of Illinois i Chicago, och University of Pittsburgh, avslöjade en ny metod för att bryta igenom denna begränsning. I det här arbetet, de blandar Co och Mo, två element som sällan är blandbara, men vilken kombination antas vara viktig för att katalysera energirelevanta kemiska reaktioner, såsom sönderdelning av ammoniak. Istället för att direkt blanda dem ihop, Chao och hans team lade till ytterligare tre ingredienser, Fe, Ni och Cu, som alla är jordöverflödiga övergångsmetaller. När de fem elementen samlas i en stor nanometerpartikel, en enda homogen fast lösning bildas som möjliggör inkorporering av Co- och Mo -atomer vid olika förhållanden. Forskare kallar denna grupp av material "legeringar med hög entropi".

"Tricket bakom är att öka oordning, slumpmässighet i hur metallatomerna står i linje med legeringskristallerna, "förklarar Wang, en biträdande professor vid Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik vid Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

Mängden som beskriver detta fenomen kallas "entropi" i fysiken. De kina -legerade nanopartiklarna som skapats av Wang och hans team visar sig ha högre entropi än konventionella, relativt enkla bi- eller tri-metalliska legeringar. I detta unika skick, Atomegenskaperna hos olika element återges och blir lättare att blanda.

De nanopartiklar med hög entropi-legering antas ha stor potential för katalytiska tillämpningar.

"Nu när vi kan göra legeringsnanopartiklar av element som man trodde var oblandbara tidigare, vi kan skapa nya, oöverträffade katalysatorer med optimala ytadsorptionsegenskaper för riktade reaktioner, "sa Pengfei Xie, en postdoktor i Wangs laboratorium, och första författare till Naturkommunikation papper.

Forskarna visade de nanopartiklarna i Co-Mo-Fe-Ni-Cu-legeringar som utmärkta katalysatorer för att bryta den kemiska bindningen mellan kväve- och väteatomer i ammoniak, ett viktigt sätt att frigöra väte från denna flytande kemikalie för matning av bränsleceller och driva framtida elfordon.