Een opkomend type legeringsnanodeeltje blijkt stabieler, duurzamer dan nanodeeltjes met één element.

Katalysatoren zijn een integraal onderdeel van talloze aspecten van de moderne samenleving. Door belangrijke chemische reacties te versnellen, katalysatoren ondersteunen industriële productie en verminderen schadelijke emissies. Ze verhogen ook de efficiëntie in chemische processen voor toepassingen variërend van batterijen en transport tot bier en wasmiddel.

Hoe belangrijk katalysatoren ook zijn, de manier waarop ze werken is vaak een mysterie voor wetenschappers. Het begrijpen van katalytische processen kan wetenschappers helpen efficiëntere en kosteneffectievere katalysatoren te ontwikkelen. In een recente studie, wetenschappers van de University of Illinois Chicago (UIC) en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) ontdekten dat, tijdens een chemische reactie die katalytische materialen vaak snel afbreekt, een bepaald type katalysator vertoont een uitzonderlijk hoge stabiliteit en duurzaamheid.

De katalysatoren in deze studie zijn gelegeerde nanodeeltjes, of nanodeeltjes die uit meerdere metalen elementen bestaan, zoals kobalt, nikkel, koper en platina. Deze nanodeeltjes kunnen meerdere praktische toepassingen hebben, inclusief watersplitsing om waterstof in brandstofcellen te genereren; vermindering van kooldioxide door het af te vangen en om te zetten in bruikbare materialen zoals methanol; efficiëntere reacties in biosensoren om stoffen in het lichaam te detecteren; en zonnecellen die warmte produceren, elektriciteit en brandstof efficiënter.

In dit onderzoek, de wetenschappers onderzochten "high-entropy" (zeer stabiele) legeringsnanodeeltjes. Het team van onderzoekers, geleid door Reza Shahbazian-Yassar bij UIC, gebruikte Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, om de samenstelling van de deeltjes tijdens oxidatie te karakteriseren, een proces dat het materiaal afbreekt en zijn bruikbaarheid in katalytische reacties vermindert.

"Met behulp van gasstroomtransmissie-elektronenmicroscopie (TEM) bij CNM, we kunnen het hele oxidatieproces in realtime en met een zeer hoge resolutie vastleggen, " zei wetenschapper Bob Song van UIC, een hoofdwetenschapper bij het onderzoek. "We ontdekten dat nanodeeltjes met een hoge entropielegering veel beter bestand zijn tegen oxidatie dan algemene metaaldeeltjes."

Om de TEM uit te voeren, de wetenschappers hebben de nanodeeltjes in een siliciumnitridemembraan ingebed en verschillende soorten gas door een kanaal over de deeltjes laten stromen. Een elektronenstraal onderzocht de reacties tussen de deeltjes en het gas, het onthullen van de lage oxidatiesnelheid en de migratie van bepaalde metalen - ijzer, kobalt, nikkel en koper - naar de oppervlakken van de deeltjes tijdens het proces.

"Ons doel was om te begrijpen hoe snel materialen met een hoge entropie reageren met zuurstof en hoe de chemie van nanodeeltjes evolueert tijdens zo'n reactie, " zei Shahbazian-Yassar, UIC-hoogleraar werktuigbouwkunde en industriële techniek aan het College of Engineering.

Volgens Shahbazian-Yassar, de ontdekkingen die in dit onderzoek zijn gedaan, kunnen veel energieopslag- en conversietechnologieën ten goede komen, zoals brandstofcellen, lithium-lucht batterijen, supercondensatoren en katalysatormaterialen. De nanodeeltjes kunnen ook worden gebruikt om corrosiebestendige en hoge temperatuur materialen te ontwikkelen.

"Dit was een succesvolle demonstratie van hoe de capaciteiten en diensten van CNM kunnen voldoen aan de behoeften van onze medewerkers, " zei Argonne's Yuzi Liu, een wetenschapper bij CNM. "We beschikken over de modernste faciliteiten, en we willen ook state-of-the-art wetenschap leveren."