Imágenes de microscopio electrónico de transmisión de barrido de una escama de aleación de dicalcogenuro de metal de transición de alta entropía en su totalidad y una sección resuelta en átomos. Las imágenes monocromáticas representan la distribución de diferentes elementos. Crédito:Mishra Lab
Un material de aleación bidimensional, hecho de cinco metales en lugar de los dos tradicionales, ha sido desarrollado por una colaboración entre investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis e investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois en Chicago.
Y, por primera vez en un material de este tipo, Se ha demostrado que actúa como un excelente catalizador para reducir el CO 2 , en CO, con aplicaciones potenciales en remediación ambiental.
La investigación, del laboratorio de Rohan Mishra, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales de la Universidad de Washington, fue publicado el sábado, 26 de junio en el diario Materiales avanzados .
"Estamos buscando transformar el dióxido de carbono, que es un gas de efecto invernadero, en monóxido de carbono, "Dijo Mishra." El monóxido de carbono se puede combinar con hidrógeno para producir metanol. Podría ser una forma de tomar CO 2 del aire y reciclarlo de nuevo en un hidrocarburo ".
La base de esta innovación es una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), que incluyen metales de transición y un calcógeno, que incluye azufre, selenio y telurio. Cuando una aleación contiene más de tres metales en proporciones casi iguales, se dice que es de "alta entropía". De ahí el nombre prolijo del material desarrollado en el laboratorio de Mishra:dicalcogenuros de metales de transición de alta entropía.
Los TMDC no son nuevos. Ha habido interés en formas bidimensionales similares de estos materiales debido a sus propiedades ópticas y electrónicas únicas, Dijo Mishra. Pero tenía la sospecha de que podrían usarse para otra cosa.
"Hemos estado mirando estos también, pero explorando su potencial para la electrocatálisis, "actuando como un catalizador para facilitar las reacciones químicas. Como son efectivamente bidimensionales (alrededor de tres átomos de espesor), hacen catalizadores eficientes; las reacciones ocurren en la superficie de un material, y un material bidimensional tiene mucha superficie, y no mucho más. En un estudio anterior, también publicado en la revista Materiales avanzados en 2020, el grupo había demostrado que las aleaciones de TMDC de dos metales mostraban una actividad catalítica mejorada sobre las TMDC individuales. "Esto nos llevó a la pregunta, ¿Puede la adición de más metales a estas aleaciones hacer catalizadores aún mejores? ”, dijo Mishra.
Con 10 metales de transición aplicables y tres calcógenos, hay 135 posibles aleaciones TMDC de dos metales y 756 de cinco metales. Sin embargo, como el aceite y el agua, no todas las combinaciones se mezclarán para formar una aleación homogénea.
"Sin la orientación de los cálculos, determinar experimentalmente qué combinaciones elementales darán una aleación se convierte en un proceso de prueba y error que también requiere mucho tiempo y es costoso, "Explicó Mishra.
El alquimista en este caso fue John Cavin, estudiante de posgrado en el Departamento de Física en Artes y Ciencias de la Universidad de Washington.
En el trabajo anterior, Cavin había demostrado qué dos metales de transición se pueden combinar, y a que temperaturas para formar aleaciones TMDC binarias.
"La pregunta era, "¿Podríamos incluso sintetizar una aleación TMDC que tuviera tantos componentes?", Dijo Cavin. "¿Y mejorarán la reducción de CO 2 en CO? "
Descubrir, usó cálculos de mecánica cuántica para predecir qué combinaciones tenían más probabilidades de mejorar la capacidad del material para catalizar el CO 2 . Luego tuvo que ir más allá para determinar si el material sería estable, pero no tenía herramientas para hacerlo. Entonces, él mismo desarrolló uno.
"Tuve que desarrollar un modelo termodinámico para predecir aleaciones de TMDC de alta entropía estables a partir de los cálculos de la mecánica cuántica, ", Dijo Cavin. Estos cálculos se realizaron utilizando considerables recursos de supercomputación, puesto a disposición por la red Extreme Science and Engineering Discovery Environment, que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation.
Después de años de desarrollo, el análisis resultante se envió a colaboradores experimentales de la Universidad de Illinois en Chicago.
"En UIC, podrían sintetizar los materiales que predijimos que formarían una aleación TMDC de alta entropía, "Dijo Mishra." Además, uno de ellos mostró una actividad excepcional ".
Pueden tener otros usos, también. UIC sintetizó tres de las cuatro aleaciones TMDC diferentes y continuará analizándolas.
"Estos son materiales nuevos, nunca antes se habían sintetizado, "Dijo Mishra." Es posible que tengan propiedades inesperadas ".
El trabajo proviene de una subvención DMREF de la National Science Foundation como parte de la Iniciativa del genoma de materiales lanzada por el presidente Barack Obama en 2011 como una iniciativa de múltiples agencias para crear políticas, recursos e infraestructura que apoyan a las instituciones estadounidenses para descubrir, fabrique y despliegue materiales avanzados de manera eficiente y rentable.
