Een nieuw concept maakt het mogelijk om de meest veelbelovende te identificeren uit een overvloed aan mogelijke combinaties van elementen.

Het succes van de energietransitie hangt sterk af van efficiënte elektrokatalysatoren, bijvoorbeeld voor brandstofcellen of de reductie van CO ₂ . Speciale legeringen gemaakt van vijf of meer elementen zijn veelbelovende kandidaten. Een team van onderzoekers van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) heeft een concept ontwikkeld om snel een overvloed aan mogelijke elementcombinaties te screenen om te identificeren welke de moeite waard zijn om te optimaliseren. Het helpt om direct het potentieel van een mogelijke legering vast te stellen. Het team rapporteert in het journaal Internationale editie van Angewandte Chemie op 22 december 2019.

Efficiënte katalysatoren gemaakt van goedkope en beschikbare elementen

De hoop van de onderzoekers met betrekking tot nieuwe katalysatoren gemaakt van goedkope en beschikbare elementen berust op wat bekend staat als complexe vaste oplossingen, ook wel legeringen met hoge entropie genoemd. Ze bestaan ​​uit vijf of meer elementen die homogeen gemengd zijn en de diverse, complexe interacties waarvan fijne aanpassingen van de relevante eigenschappen mogelijk zijn. belangrijk, het zijn niet alleen de eigenschappen van de afzonderlijke elementen die cruciaal zijn, maar vooral hun interactie. "Dit opent een breed scala aan anders onbereikbare mogelijkheden om tegelijkertijd prijs en prestatie te optimaliseren voor mogelijke toepassingen, ", zegt professor Wolfgang Schuhmann van het Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen aan de RUB.

Echter, fundamentele kennis over de recent ontdekte nieuwe katalysatorklasse ontbreekt nog. Welke informatie zou door metingen kunnen worden geleverd om gerichte vooruitgang te boeken in de ontwikkeling van katalysatoren? Hoe helpt dit om de juiste te vinden tussen de bijna oneindige mogelijke combinaties? Welk effect heeft het vervangen van een element op de eigenschappen?

Resultaten nauwkeuriger interpreteren

"We hebben een concept ontwikkeld waarmee we de correlaties tussen de selectie van de elementen, theoretisch, activiteitsbepalende eigenschappen, en daadwerkelijk meetbare parameters, " meldt Tobias Löffler, een promovendus in de elektrochemie. Aangezien de complexe vaste oplossingen op al deze punten verschillen van conventionele elektrokatalysatoren, dit begrip is van fundamenteel belang voor experimentele vooruitgang.

De onderzoekers staan ​​dus voor de uitdaging dat niet alleen de combinatie van elementen maar ook de verhouding van elk element cruciaal is en dat eventuele afwijkingen de eigenschappen veranderen. "We laten zien hoe experimenten met een legering gemaakt van, bijvoorbeeld, vijf gelijke delen van elk element kunnen worden geïnterpreteerd om de elementcombinatie als potentieel actief te identificeren, " legt Tobias Löffler uit. De onderzoekers kunnen zo snel vaststellen of het de moeite waard is om de verhoudingen van de elementen te optimaliseren. "Dit stelt ons in staat om de screeningswerklast voor mogelijke materiaalsamenstellingen tot een fractie te verminderen zonder veelbelovende kandidaten over het hoofd te zien, " legt Wolfgang Schuhmann uit. Zonder deze kennis, het is mogelijk dat combinaties kunnen worden uitgefilterd met behulp van conventionele evaluaties, hoewel deze zeer interessant zouden kunnen zijn als de elementverhoudingen zouden worden geoptimaliseerd. "Bovendien, dit concept vormt een hoeksteen voor het begrijpen van het complexe werkingsmechanisme van deze materiële klasse, wat helpt om de mogelijke parameters die kunnen worden aangepast beter te begrijpen en hier dus kansrijke ontwerpconcepten uit af te leiden."

Onderzoekers aanmoedigen

De onderzoekers testten deze conceptuele overwegingen met geselecteerde legeringen met behulp van de zuurstofreductiereactie die relevant is voor brandstofcellen. Ze konden aantonen in welke gevallen het vervangen of toevoegen van een element aan een bestaande elementencombinatie een positief effect heeft en vice versa. Ook konden ze combinaties identificeren die geschikt zijn voor verdere optimalisatie.

"Voor materiële synthese, dit betekent een enorme besparing in tijd en geld, " zegt professor Alfred Ludwig, Leerstoel voor Materials Discovery and Interfaces bij RUB. "Het produceren en analyseren van alle mogelijke elementverhoudingen van een legering die uit vijf elementen bestaat, is een enorme uitdaging. Door elementaire hindernissen weg te nemen, we hopen de toegang tot dit zeer actuele en technologisch relevante veld verder te vergemakkelijken en meer onderzoekers aan te moedigen om met hun respectieve vaardigheden bij te dragen."