Veel chemische reacties die relevant zijn voor nieuwe energiebronnen zijn zeer complex en leiden tot aanzienlijk energieverlies. Dus, energieconversie- en opslagsystemen of brandstofcellen worden nog niet veel gebruikt in commerciële toepassingen. Onderzoekers van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) en het Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf rapporteren nu over een nieuwe klasse katalysatoren die theoretisch geschikt is voor universeel gebruik.

Deze zogenaamde legeringen met hoge entropie worden gevormd door bijna gelijke hoeveelheden van vijf of meer elementen te mengen. Ze zouden eindelijk de grenzen kunnen verleggen van traditionele katalysatoren die decennialang onovertroffen zijn geweest. Het onderzoeksteam beschrijft hun ongebruikelijke elektrokatalytische werkingsprincipes en hun potentieel voor systematische toepassing in het tijdschrift ACS Energiebrieven .

Materiaalbibliotheken voor onderzoek naar elektrokatalyse

De materiaalklasse van legeringen met hoge entropie heeft fysische eigenschappen die een aanzienlijk potentieel hebben voor tal van toepassingen. Bij zuurstofreductie, ze hebben al de activiteit van een platinakatalysator bereikt.

"Op onze afdeling we hebben unieke methoden tot onze beschikking om deze complexe materialen te vervaardigen uit vijf bronelementen in verschillende samenstellingen in de vorm van dunnefilm- of nanodeeltjesbibliotheken, ", legt professor Alfred Ludwig van de leerstoel Materialen voor Microtechnologie bij RUB uit. De atomen van de bronelementen vermengen zich in plasma en vormen nanodeeltjes in een substraat van ionische vloeistof. Als de nanodeeltjes zich in de buurt van de respectieve atoombron bevinden, het percentage atomen uit die bron is hoger in het betreffende deeltje. "Er is nog zeer beperkt onderzoek gedaan naar het gebruik van dergelijke materialen in elektrokatalyse, " zegt Lodewijk.

Individuele reactiestadia manipuleren

De verwachting is dat hier in de nabije toekomst verandering in komt. De onderzoekers hebben gepostuleerd dat de unieke interacties van verschillende naburige elementen de weg kunnen effenen voor het vervangen van edele metalen door gelijkwaardige materialen. "Ons laatste onderzoek heeft andere unieke kenmerken blootgelegd, bijvoorbeeld het feit dat deze klasse ook de onderlinge afhankelijkheden tussen afzonderlijke reactiestappen kan beïnvloeden, " zegt Tobias Löffler, doctoraat onderzoeker bij het Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen aan de RUB Leerstoel Analytische Chemie. "Dus, het zou bijdragen aan het oplossen van een van de belangrijkste problemen van veel energieomzettingsreacties, namelijk anders onvermijdelijk grote energieverliezen. De theoretische mogelijkheden lijken bijna te mooi om waar te zijn."

Stichting voor lopend onderzoek

Om snelle vooruitgang te bevorderen, het team uit Bochum en Düsseldorf heeft zijn eerste bevindingen beschreven met als doel de eerste karakteristieke waarnemingen te interpreteren, de uitdagingen schetsen, en het naar voren brengen van eerste richtlijnen - die allemaal bevorderlijk zijn voor het bevorderen van onderzoek. "De complexiteit van de legering wordt weerspiegeld in de onderzoeksresultaten, en er zullen veel analyses nodig zijn voordat men het werkelijke potentieel ervan kan beoordelen. Nog altijd, geen van de bevindingen tot nu toe sluit een doorbraak uit, " veronderstelt professor Wolfgang Schuhmann, Leerstoel Analytische Chemie bij RUB.

Visualisatie in 3D

De karakterisering van katalysator nanodeeltjes, te, bevorderlijk is voor onderzoek. "Om een ​​indicatie te krijgen hoe, precies, de activiteit wordt beïnvloed door de structuur, visualisatie met hoge resolutie van het katalysatoroppervlak op atomair niveau is een handig hulpmiddel, liefst in 3D, ", zegt professor Christina Scheu van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf. Onderzoekers hebben al aangetoond dat dit een haalbaar doel is - als het nog niet wordt toegepast op deze klasse van katalysatoren.

De vraag of dergelijke katalysatoren de transitie naar een duurzame energiehuishouding zullen vergemakkelijken, moet nog worden beantwoord. "Met onze studies we zijn van plan de basis te leggen voor lopend onderzoek op dit gebied, ’ concluderen de auteurs.