Un tipo emergente de nanopartículas de aleación demuestra ser más estable, duradero que las nanopartículas de un solo elemento.

Los catalizadores son parte integral de innumerables aspectos de la sociedad moderna. Acelerando reacciones químicas importantes, los catalizadores apoyan la fabricación industrial y reducen las emisiones nocivas. También aumentan la eficiencia en los procesos químicos para aplicaciones que van desde baterías y transporte hasta cerveza y detergente para ropa.

Tan importantes como son los catalizadores, la forma en que funcionan es a menudo un misterio para los científicos. Comprender los procesos catalíticos puede ayudar a los científicos a desarrollar catalizadores más eficientes y rentables. En un estudio reciente, Científicos de la Universidad de Illinois Chicago (UIC) y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) descubrieron que, durante una reacción química que a menudo degrada rápidamente los materiales catalíticos, cierto tipo de catalizador muestra una estabilidad y durabilidad excepcionalmente altas.

Los catalizadores de este estudio son nanopartículas de aleación, o partículas nanométricas compuestas por múltiples elementos metálicos, como el cobalto, níquel, cobre y platino. Estas nanopartículas podrían tener múltiples aplicaciones prácticas, incluida la división del agua para generar hidrógeno en pilas de combustible; reducción de dióxido de carbono capturándolo y convirtiéndolo en materiales útiles como el metanol; reacciones más eficientes en biosensores para detectar sustancias en el cuerpo; y células solares que producen calor, electricidad y combustible de forma más eficaz.

En este estudio, los científicos investigaron nanopartículas de aleación de "alta entropía" (muy estable). El equipo de investigadores, dirigido por Reza Shahbazian-Yassar en UIC, utilizó el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, caracterizar la composición de las partículas durante la oxidación, un proceso que degrada el material y reduce su utilidad en reacciones catalíticas.

"Utilizando microscopía electrónica de transmisión de flujo de gas (TEM) en CNM, podemos capturar todo el proceso de oxidación en tiempo real y con una resolución muy alta, "dijo el científico Bob Song de UIC, un científico principal del estudio. "Descubrimos que las nanopartículas de aleación de alta entropía son capaces de resistir la oxidación mucho mejor que las partículas metálicas generales".

Para realizar el TEM, los científicos integraron las nanopartículas en una membrana de nitruro de silicio y fluyeron diferentes tipos de gas a través de un canal sobre las partículas. Un haz de electrones sondeó las reacciones entre las partículas y el gas, revelando la baja tasa de oxidación y la migración de ciertos metales:hierro, cobalto, níquel y cobre:​​a las superficies de las partículas durante el proceso.

"Nuestro objetivo era comprender qué tan rápido reaccionan los materiales de alta entropía con el oxígeno y cómo evoluciona la química de las nanopartículas durante dicha reacción, "dijo Shahbazian-Yassar, Catedrático de Ingeniería Mecánica e Industrial de la UIC en la Facultad de Ingeniería.

Según Shahbazian-Yassar, Los descubrimientos realizados en esta investigación podrían beneficiar a muchas tecnologías de conversión y almacenamiento de energía. como las pilas de combustible, baterías de litio-aire, supercondensadores y materiales catalizadores. Las nanopartículas también podrían usarse para desarrollar materiales resistentes a la corrosión y a altas temperaturas.

"Esta fue una muestra exitosa de cómo las capacidades y los servicios de CNM pueden satisfacer las necesidades de nuestros colaboradores, "dijo Yuzi Liu de Argonne, científico del CNM. "Contamos con instalaciones de última generación, y también queremos ofrecer ciencia de vanguardia ".