Alan Savan (izquierda) y Tobias Löffler analizan las aleaciones de alta entropía. Crédito:RUB, Marquard
Un nuevo concepto permite identificar el más prometedor entre una gran cantidad de posibles combinaciones de elementos.
El éxito de la transición energética depende significativamente de electrocatalizadores eficientes, por ejemplo para pilas de combustible o la reducción de CO 2 . Las aleaciones especiales hechas de cinco o más elementos son candidatos prometedores. Un equipo de investigadores de Ruhr-Universität Bochum (RUB) ha desarrollado un concepto para analizar rápidamente una gran cantidad de posibles combinaciones de elementos para identificar cuáles vale la pena optimizar. Ayuda a determinar directamente el potencial de una posible aleación. El equipo informa en la revista Edición internacional Angewandte Chemie el 22 de diciembre de 2019.
Catalizadores eficientes hechos de elementos económicos y disponibles
Las esperanzas de los investigadores con respecto a nuevos catalizadores hechos de elementos económicos y disponibles se basan en lo que se conoce como soluciones sólidas complejas, también llamadas aleaciones de alta entropía. Constan de cinco o más elementos que se mezclan homogéneamente y los diversos, interacciones complejas que permiten ajustes finos de las propiedades relevantes. En tono rimbombante, no son sólo las propiedades de los elementos individuales las que son cruciales, sino sobre todo su interacción. "Esto abre una amplia gama de posibilidades que de otro modo serían inalcanzables para optimizar simultáneamente el precio y el rendimiento para posibles aplicaciones, "dice el profesor Wolfgang Schuhmann del Centro de Ciencias Electroquímicas de RUB.
Sin embargo, Todavía se carece de conocimientos fundamentales sobre la nueva clase de catalizadores recientemente descubierta. ¿Qué información podrían proporcionar las mediciones para lograr avances específicos en el desarrollo de catalizadores? ¿Cómo ayuda esto a encontrar la correcta entre las casi infinitas combinaciones posibles? ¿Qué efecto tiene la sustitución de un elemento en las propiedades?
El equipo exitoso:Michael Meischein, Tobias Löffler, Wolfgang Schuhmann, Alan Savan y Alfred Ludwig (desde la izquierda). Crédito:RUB, Marquard
Interpretar los resultados con mayor precisión
"Hemos desarrollado un concepto que nos permite comprender las correlaciones entre la selección de los elementos, teórico, propiedades que definen la actividad, y parámetros realmente medibles, "informa Tobias Löffler, candidato a doctorado en electroquímica. Como las soluciones sólidas complejas difieren de los electrocatalizadores convencionales en todos estos puntos, esta comprensión es fundamental para el progreso experimental.
Por lo tanto, los investigadores se enfrentan al desafío de que no solo la combinación de elementos, sino también la proporción de cada elemento es crucial y cualquier desviación cambia las propiedades. "Mostramos cómo los experimentos con una aleación hecha de, por ejemplo, Se pueden interpretar cinco partes iguales de cada elemento para identificar la combinación de elementos como potencialmente activa, "explica Tobias Löffler. De esta forma, los investigadores pueden identificar rápidamente si vale la pena optimizar las proporciones de los elementos." Esto nos permite reducir la carga de trabajo de detección de posibles composiciones de material a una fracción sin pasar por alto candidatos prometedores, "explica Wolfgang Schuhmann. Sin este conocimiento, Es posible que las combinaciones se puedan filtrar utilizando evaluaciones convencionales, aunque estas podrían ser muy interesantes si se optimizaran las proporciones de los elementos. "Y lo que es más, este concepto constituye una piedra angular para comprender el complejo modo de acción de esta clase de material, lo que ayuda a comprender mejor los posibles parámetros que se pueden ajustar y así derivar conceptos de diseño prometedores de esto ".
Alentar a los investigadores
Los investigadores probaron estas consideraciones conceptuales con aleaciones seleccionadas utilizando la reacción de reducción de oxígeno relevante para las pilas de combustible. Pudieron demostrar en qué casos reemplazar o agregar un elemento a una combinación de elementos existente tiene un efecto positivo y viceversa. También pudieron identificar combinaciones que son adecuadas para una mayor optimización.
"Para la síntesis de materiales, esto significa un inmenso ahorro de tiempo y dinero, "dice el profesor Alfred Ludwig, Cátedra de Descubrimiento de Materiales e Interfaces en RUB. "Producir y analizar todas las posibles proporciones de elementos de una aleación que consta de cinco elementos es un gran desafío. Al eliminar obstáculos elementales, Esperamos facilitar aún más el acceso a este campo de gran actualidad y relevancia tecnológica y alentar a más investigadores a contribuir con sus respectivas habilidades ".
