Legeren is een goocheltruc die wordt gebruikt om nieuwe materialen te produceren door synergetisch ten minste twee metalen elementen te mengen om een ​​vaste oplossing te vormen. Recente ontwikkelingen in de wetenschap hebben geweldige toepassingen gevonden van legeringsmaterialen in katalyse, waarvoor bi- of trimetaaldeeltjes op nanometerschaal worden gebruikt om de snelheid van chemische reacties te versnellen. Maar de toepassing van legeringen als katalysator wordt beperkt door de zogenaamde "mengbaarheid, " aangezien geen willekeurige combinatie van elementen een homogene legering kan vormen, noch voor een robuuste afstemming van de verhouding tussen de twee componenten.

Gemeld in Natuurcommunicatie deze week, een onderzoeksteam onder leiding van Johns Hopkins University-onderzoeker Chao Wang, werken met medewerkers van de Universiteit van Maryland, Universiteit van Illinois in Chicago, en Universiteit van Pittsburgh, een nieuwe methode ontdekt om deze beperking te doorbreken. In dit werk, ze mengen Co en Mo, twee elementen die zelden mengbaar zijn, maar welke combinatie wordt geacht belangrijk te zijn voor het katalyseren van energierelevante chemische reacties, zoals de ontleding van ammoniak. In plaats van ze direct met elkaar te vermengen, Chao en zijn team voegden nog drie ingrediënten toe, Fe, Ni en Cu, allemaal aarde-overvloedige overgangsmetalen. Als de vijf elementen samenkomen in een deeltje van nanometer groot, een enkele homogene vaste oplossing vormt die de opname van Co- en Mo-atomen in verschillende verhoudingen mogelijk maakt. Wetenschappers noemen deze groep materialen 'legeringen met hoge entropie'.

"De truc erachter is om de wanorde te vergroten, willekeur van de manier waarop de metaalatomen op één lijn liggen in de legeringskristallen, " legt Wang uit, een assistent-professor bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

De hoeveelheid die dit fenomeen beschrijft, wordt in de natuurkunde "entropie" genoemd. De nanodeeltjes van een quinaire legering die door Wang en zijn team zijn gemaakt, blijken een hogere entropie te hebben dan conventionele, relatief eenvoudige bi- of trimetaallegeringen. In deze unieke staat, de atomaire kenmerken van verschillende elementen worden weergegeven en worden gemakkelijker te mengen.

Er wordt aangenomen dat nanodeeltjes met een hoge entropielegering een groot potentieel hebben voor katalytische toepassingen.

"Nu we gelegeerde nanodeeltjes kunnen maken van elementen waarvan werd gedacht dat ze voorheen niet mengbaar waren, we zijn in staat om nieuwe, ongekende katalysatoren met optimale oppervlakteadsorptie-eigenschappen voor gerichte reacties, " zei door Pengfei Xie, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Wang, en eerste auteur van de Natuurcommunicatie papier.

De wetenschappers demonstreerden de vijftallige Co-Mo-Fe-Ni-Cu legering nanodeeltjes als uitstekende katalysatoren voor het verbreken van de chemische binding tussen stikstof- en waterstofatomen in ammoniak, een belangrijke manier om waterstof vrij te maken uit deze vloeibare chemische stof voor het voeden van brandstofcellen en het aandrijven van toekomstige elektrische voertuigen.