Een tweedimensionaal legeringsmateriaal - gemaakt van vijf metalen in tegenstelling tot de traditionele twee - is ontwikkeld door een samenwerking tussen onderzoekers van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis en onderzoekers van het College of Engineering aan de University of Illinois in Chicago.

En, in een primeur voor een dergelijk materiaal, het is aangetoond dat het werkt als een uitstekende katalysator voor het verminderen van CO ₂ , in CO, met mogelijke toepassingen in milieusanering.

Het onderzoek, uit het laboratorium van Rohan Mishra, assistent-professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde &Materiaalwetenschappen aan de Washington University, werd zaterdag gepubliceerd, 26 juni in het journaal Geavanceerde materialen .

"We kijken naar het transformeren van koolstofdioxide, wat een broeikasgas is, in koolmonoxide, " Zei Mishra. "Koolmonoxide kan worden gecombineerd met waterstof om methanol te maken. Het kan een manier zijn om CO . te nemen ₂ uit de lucht en recycle het terug in een koolwaterstof."

De basis van deze innovatie is een klasse van materialen die bekend staat als overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's) - ze omvatten overgangsmetalen en een chalcogeen, waaronder zwavel, selenium en telluur. Wanneer een legering meer dan drie metalen bevat in bijna gelijke verhoudingen, er wordt gezegd dat het "hoge entropie" is. Vandaar de veelzeggende naam van het materiaal dat in Mishra's laboratorium is ontwikkeld:overgangsmetaal-dichalcogeniden met hoge entropie.

TMDC's zijn niet nieuw. Er is belangstelling voor soortgelijke tweedimensionale vormen van deze materialen vanwege hun unieke optische en elektronische eigenschappen, zei Misra. Maar hij had het vermoeden dat ze voor iets anders konden worden gebruikt.

"We hebben deze bekeken, te, maar hun potentieel voor elektrokatalyse onderzoeken, " fungeren als een katalysator om chemische reacties te vergemakkelijken. Omdat ze in feite tweedimensionaal zijn (ongeveer drie atomen dik), ze zorgen voor efficiënte katalysatoren; reacties vinden plaats op het oppervlak van een materiaal, en een tweedimensionaal materiaal heeft veel oppervlakte, en niet veel anders. In een eerdere studie, ook gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen in 2020, de groep had aangetoond dat TMDC-legeringen van twee metalen een verbeterde katalytische activiteit vertoonden ten opzichte van individuele TMDC's. "Dit bracht ons bij de vraag, kan het toevoegen van meer metalen aan deze legeringen nog betere katalysatoren maken?" zei Mishra.

Met 10 toepasbare overgangsmetalen en drie chalcogenen, er zijn 135 twee-metalen en 756 vijf-metalen mogelijke TMDC-legeringen. Echter, net als olie en water, niet alle combinaties zullen met elkaar vermengen om een ​​homogene legering te vormen.

"Zonder begeleiding van berekeningen, experimenteel bepalen welke elementaire combinaties een legering zullen geven, wordt een proces van vallen en opstaan ​​dat ook tijdrovend en duur is, ' legde Misra uit.

De alchemist in dit geval was John Cavin, een afgestudeerde student aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Washington in Kunsten en Wetenschappen.

In het vorige werk Cavin had laten zien welke twee overgangsmetalen kunnen worden gecombineerd, en bij welke temperaturen om binaire TMDC-legeringen te vormen.

"De vraag was "Kunnen we zelfs een TMDC-legering synthetiseren die zoveel componenten bevatte?", zei Cavin. "En zullen ze de reductie van CO . verbeteren ₂ naar CO?"

Er achter komen, hij gebruikte kwantummechanische berekeningen om te voorspellen welke combinaties het vermogen van het materiaal om CO . te katalyseren het meest waarschijnlijk zouden verbeteren ₂ . Daarna moest hij verder gaan om te bepalen of het materiaal stabiel zou zijn, maar had daar geen gereedschap voor. Dus, hij heeft er zelf een ontwikkeld.

"Ik moest een thermodynamisch model ontwikkelen voor het voorspellen van stabiele TMDC-legeringen met hoge entropie uit de kwantummechanische berekeningen, " zei Cavin. Deze berekeningen werden uitgevoerd met behulp van aanzienlijke supercomputerbronnen, beschikbaar gesteld door het Extreme Science and Engineering Discovery Environment-netwerk, die wordt ondersteund door de National Science Foundation.

Na jaren van ontwikkeling, de resulterende analyse werd verzonden naar experimentele medewerkers aan de Universiteit van Illinois in Chicago.

"Bij UIC, ze konden de materialen synthetiseren waarvan we voorspelden dat ze een TMDC-legering met hoge entropie zouden vormen, "zei Mishra. "Bovendien, een van hen toonde uitzonderlijke activiteit."

Ze kunnen andere toepassingen hebben, te. UIC heeft drie van de vier verschillende TMDC-legeringen gesynthetiseerd en zal ze blijven analyseren.

"Dit zijn nieuwe materialen, ze zijn nog nooit eerder gesynthetiseerd, "Zei Mishra. "Ze kunnen onverwachte eigenschappen hebben."

Het werk komt voort uit een DMREF-subsidie ​​van de National Science Foundation als onderdeel van het Materials Genome Initiative, gelanceerd door president Barack Obama in 2011 als een initiatief van meerdere instanties om beleid te creëren, middelen en infrastructuur die Amerikaanse instellingen ondersteunen bij het ontdekken, productie en inzet van geavanceerde materialen efficiënt en kosteneffectief.