La industria utiliza aleaciones de platino como catalizadores para la reducción de oxígeno, esencial en pilas de combustible y baterías de metal-aire, entre otras aplicaciones. Caro y raro que el metal impone estrictas restricciones a la fabricación. Investigadores de Ruhr-Universität Bochum (RUB) y Max-Planck-Institut für Eisenforschung han descubierto una aleación de cinco elementos que no contiene metales nobles y es tan activa como el platino. Sus hallazgos se publican en la revista Materiales energéticos avanzados .

Las propiedades catalíticas de los elementos no nobles y sus aleaciones suelen ser malas. Para sorpresa de los investigadores, una aleación compuesta por cinco componentes casi igualmente equilibrados ofrece propiedades mucho mejores. Esto se debe al llamado efecto de alta entropía:hace que las aleaciones multinarias mantengan una estructura cristalina simple.

"A través de la interacción de diferentes elementos vecinos, se forman nuevos centros activos que presentan propiedades completamente nuevas y, por lo tanto, ya no están vinculados a las propiedades limitadas de los elementos individuales, "explica Tobias Löffler, Doctor. estudiante de la Cátedra RUB de Química Analítica — Centro de Ciencias Electroquímicas dirigido por el profesor Wolfgang Schuhmann. "Nuestra investigación ha demostrado que esta aleación podría ser relevante para la catálisis".

Generación de bibliotecas de nanopartículas de aleación

Buscando una alternativa al platino, Los investigadores de la Cátedra RUB de Materiales para Microtecnología, encabezada por el profesor Alfred Ludwig, desplegaron un método especial para generar una biblioteca de nanopartículas de aleación de cinco elementos fuente. Sus átomos se mezclan en el plasma y forman nanopartículas en un sustrato de líquido iónico. El líquido se coloca en pequeñas cavidades en un portador.

Si las nanopartículas se encuentran cerca de la fuente de átomo respectiva, el porcentaje de átomos de esa fuente es mayor en la partícula respectiva. En el centro del portaaviones, los cinco elementos están presentes en cantidades más o menos iguales. "Este proceso combinatorio nos permite controlar con precisión la composición de las nanopartículas de aleación en cualquier lugar de la biblioteca de materiales, "dice Alfred Ludwig.

Composición optimizada

Dirigido por la profesora Christina Scheu, el equipo de investigación del Max-Planck-Institut für Eisenforschung analizó las nanopartículas mediante microscopía electrónica de transmisión. Los químicos de RUB determinaron su actividad catalítica y la compararon con la de las nanopartículas de platino. En el proceso, identificaron un sistema compuesto por cinco elementos en los que el efecto de alta entropía da como resultado una actividad catalítica para una reducción de oxígeno similar a la del platino. Optimizando aún más la composición, mejoraron con éxito la actividad general.

"Estos hallazgos pueden tener consecuencias de gran alcance para la electrocatálisis en general, "dice Wolfgang Schuhmann. Los investigadores esperan adaptar las propiedades para cualquier reacción requerida aprovechando el número casi infinito de combinaciones posibles de los elementos y modificaciones de su composición". la aplicación no se limitará necesariamente a la reducción de oxígeno, "dice Ludwig. El equipo de investigación ya ha solicitado una patente.

Sin embargo, como la interacción de los elementos no se comprende completamente, los investigadores aún no pueden desarrollar ningún catalizador específico. "Este proyecto de investigación sienta las bases para futuros estudios para obtener una mejor comprensión del proceso, e introduce aleaciones de alta entropía compuestas por múltiples elementos como una nueva categoría de catalizador, "dice Ludwig.