De industrie gebruikt platinalegeringen als katalysatoren voor zuurstofreductie, essentieel in brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen, onder andere toepassingen. Duur en zeldzaam, dat metaal strenge beperkingen oplegt aan de fabricage. Onderzoekers van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) en het Max-Planck-Institut für Eisenforschung hebben een legering met vijf elementen ontdekt die vrij is van edelmetalen en even actief is als platina. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde energiematerialen .

De katalytische eigenschappen van niet-edele elementen en hun legeringen zijn meestal slecht. Tot verbazing van de onderzoekers één legering bestaande uit vijf bijna gelijk uitgebalanceerde componenten biedt veel betere eigenschappen. Dit komt door het zogenaamde hoge entropie-effect:het zorgt ervoor dat multinaire legeringen een eenvoudige kristalstructuur behouden.

"Door de interactie van verschillende naburige elementen, nieuwe actieve centra worden gevormd die geheel nieuwe eigenschappen presenteren en dus niet langer gebonden zijn aan de beperkte eigenschappen van de afzonderlijke elementen, " legt Tobias Löffler uit, doctoraat student aan de RUB Chair of Analytical Chemistry-Center for Electrochemical Sciences onder leiding van professor Wolfgang Schuhmann. "Ons onderzoek heeft aangetoond dat deze legering relevant kan zijn voor katalyse."

Genereren van bibliotheken met nanodeeltjes van legeringen

Op zoek naar een alternatief voor platina, onderzoekers van de RUB-leerstoel voor materialen voor microtechnologie onder leiding van professor Alfred Ludwig gebruikten een speciale methode om een ​​legeringsnanodeeltjesbibliotheek van vijf bronelementen te genereren. Hun atomen vermengen zich in plasma en vormen nanodeeltjes in een substraat van ionische vloeistof. De vloeistof wordt in kleine holtes op een drager geplaatst.

Als de nanodeeltjes zich in de buurt van de betreffende atoombron bevinden, het percentage atomen uit die bron is hoger in het betreffende deeltje. In het midden van de drager, alle vijf de elementen zijn in min of meer gelijke hoeveelheden aanwezig. "Dit combinatorische proces stelt ons in staat om de samenstelling van de nanodeeltjes van de legering overal in de materiaalbibliotheek nauwkeurig te controleren, ', zegt Alfred Ludwig.

Geoptimaliseerde compositie

Onder leiding van professor Christina Scheu, het onderzoeksteam van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung analyseerde de nanodeeltjes met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie. RUB-chemici bepaalden hun katalytische activiteit en vergeleken die met die van platina-nanodeeltjes. In het proces, ze identificeerden een systeem bestaande uit vijf elementen waarin het hoge entropie-effect resulteert in katalytische activiteit voor een zuurstofreductie die vergelijkbaar is met die van platina. Door de samenstelling verder te optimaliseren, ze hebben met succes de algehele activiteit verbeterd.

"Deze bevindingen kunnen verstrekkende gevolgen hebben voor elektrokatalyse in het algemeen, ", zegt Wolfgang Schuhmann. De onderzoekers hopen de eigenschappen voor eventuele vereiste reacties aan te passen door gebruik te maken van het bijna oneindige aantal mogelijke combinaties van de elementen en modificaties van hun samenstelling. "Dienovereenkomstig, de toepassing zal niet noodzakelijk beperkt zijn tot zuurstofreductie, ", zegt Ludwig. Het onderzoeksteam heeft al een patent aangevraagd.

Echter, omdat het samenspel van de elementen niet volledig wordt begrepen, de onderzoekers kunnen nog geen specifieke katalysatoren ontwikkelen. "Dit onderzoeksproject legt de basis voor verder onderzoek om het proces beter te begrijpen, en het introduceert legeringen met hoge entropie bestaande uit meerdere elementen als een nieuwe katalysatorcategorie, " zegt Lodewijk.