L'industria utilizza le leghe di platino come catalizzatori per la riduzione dell'ossigeno, essenziale nelle celle a combustibile e nelle batterie metallo-aria, tra le altre applicazioni. costoso e raro, che il metallo impone rigide restrizioni alla produzione. I ricercatori della Ruhr-Universität Bochum (RUB) e del Max-Planck-Institut für Eisenforschung hanno scoperto una lega a cinque elementi priva di metalli nobili e attiva quanto il platino. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Materiali energetici avanzati .

Le proprietà catalitiche degli elementi non nobili e delle loro leghe sono generalmente scarse. Con grande sorpresa dei ricercatori, una lega composta da cinque componenti quasi equamente bilanciati offre proprietà molto migliori. Ciò è dovuto al cosiddetto effetto di alta entropia:fa sì che le leghe multinarie mantengano una struttura cristallina semplice.

"Attraverso l'interazione di diversi elementi vicini, si formano nuovi centri attivi che presentano proprietà del tutto nuove e quindi non sono più legati alle proprietà limitate dei singoli elementi, " spiega Tobias Löffler, dottorato di ricerca studente presso la Cattedra RUB di Chimica Analitica—Centro di Scienze Elettrochimiche diretto dal Professor Wolfgang Schuhmann. "La nostra ricerca ha dimostrato che questa lega potrebbe essere rilevante per la catalisi".

Generazione di librerie di nanoparticelle di leghe

Alla ricerca di un'alternativa al platino, i ricercatori della cattedra RUB di materiali per la microtecnologia, guidati dal professor Alfred Ludwig, hanno utilizzato un metodo speciale per generare una libreria di nanoparticelle in lega di cinque elementi sorgente. I loro atomi si fondono nel plasma e formano nanoparticelle in un substrato di liquido ionico. Il liquido viene posto in piccole cavità su un supporto.

Se le nanoparticelle si trovano nelle vicinanze della rispettiva sorgente atomica, la percentuale di atomi da quella sorgente è più alta nella rispettiva particella. Al centro del corriere, tutti e cinque gli elementi sono presenti in quantità più o meno uguali. "Questo processo combinatorio ci consente di controllare con precisione la composizione delle nanoparticelle di lega in qualsiasi punto della libreria dei materiali, "dice Alfred Ludwig.

Composizione ottimizzata

Diretto dalla professoressa Christina Scheu, il team di ricerca del Max-Planck-Institut für Eisenforschung ha analizzato le nanoparticelle utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione. I chimici RUB hanno determinato la loro attività catalitica e l'hanno confrontata con quella delle nanoparticelle di platino. Nel processo, hanno identificato un sistema composto da cinque elementi in cui l'effetto dell'elevata entropia determina un'attività catalitica per una riduzione dell'ossigeno simile a quella del platino. Ottimizzando ulteriormente la composizione, hanno migliorato con successo l'attività complessiva.

"Questi risultati possono avere conseguenze di vasta portata per l'elettrocatalisi in generale, " afferma Wolfgang Schuhmann. I ricercatori sperano di adattare le proprietà a qualsiasi reazione richiesta sfruttando il numero quasi infinito di possibili combinazioni degli elementi e le modifiche della loro composizione. "Di conseguenza, l'applicazione non sarà necessariamente limitata alla riduzione dell'ossigeno, " dice Ludwig. Il team di ricerca ha già richiesto un brevetto.

Però, poiché l'interazione degli elementi non è completamente compresa, i ricercatori non possono ancora sviluppare catalizzatori specifici. "Questo progetto di ricerca pone le basi per ulteriori studi per ottenere una migliore comprensione del processo, e introduce le leghe ad alta entropia composte da più elementi come nuova categoria di catalizzatori, "dice Ludovico.