Un nuovo concetto consente di identificare il più promettente tra un'abbondanza di possibili combinazioni di elementi.

Il successo della transizione energetica dipende in modo significativo da elettrocatalizzatori efficienti, ad esempio per le celle a combustibile o la riduzione di CO ₂ . Le leghe speciali costituite da cinque o più elementi sono candidati promettenti. Un team di ricercatori della Ruhr-Universität Bochum (RUB) ha sviluppato un concetto per vagliare rapidamente un'abbondanza di possibili combinazioni di elementi per identificare quali vale la pena ottimizzare. Aiuta ad accertare direttamente il potenziale di una possibile lega. Il team riporta sul giornale Angewandte Chemie Edizione Internazionale il 22 dicembre 2019.

Catalizzatori efficienti realizzati con elementi economici e disponibili

Le speranze dei ricercatori riguardo a nuovi catalizzatori realizzati con elementi poco costosi e disponibili si basano su quelle che sono note come soluzioni solide complesse, dette anche leghe ad alta entropia. Sono costituiti da cinque o più elementi che sono omogeneamente mescolati e i diversi, complesse interazioni delle quali consentono regolazioni fini delle proprietà rilevanti. È importante sottolineare che non sono solo le proprietà dei singoli elementi ad essere determinanti ma soprattutto la loro interazione. "Questo apre una vasta gamma di possibilità altrimenti irraggiungibili al fine di ottimizzare contemporaneamente prezzo e prestazioni per possibili applicazioni, " afferma il professor Wolfgang Schuhmann del Centro per le scienze elettrochimiche del RUB.

Però, mancano ancora le conoscenze fondamentali sulla nuova classe di catalizzatori scoperta di recente. Quali informazioni potrebbero essere fornite dalle misurazioni al fine di compiere progressi mirati nello sviluppo dei catalizzatori? In che modo questo aiuta a trovare quella giusta tra le quasi infinite combinazioni possibili? Che effetto ha la sostituzione di un elemento sulle proprietà?

Interpretare i risultati in modo più accurato

"Abbiamo sviluppato un concetto che ci consente di comprendere le correlazioni tra la selezione degli elementi, teorico, proprietà che definiscono l'attività, e parametri effettivamente misurabili, " riferisce Tobias Löffler, dottorando in elettrochimica. Poiché le soluzioni solide complesse differiscono dagli elettrocatalizzatori convenzionali in tutti questi punti, questa comprensione è fondamentale per il progresso sperimentale.

I ricercatori si trovano quindi di fronte alla sfida che non solo la combinazione di elementi ma anche la proporzione di ciascun elemento è cruciale e qualsiasi deviazione modifica le proprietà. "Mostriamo come gli esperimenti con una lega fatta da, ad esempio, cinque parti uguali di ciascun elemento possono essere interpretate per identificare la combinazione di elementi come potenzialmente attiva, " spiega Tobias Löffler. I ricercatori sono quindi in grado di identificare rapidamente se vale la pena ottimizzare le proporzioni degli elementi. "Questo ci consente di ridurre il carico di lavoro di screening per possibili composizioni di materiali a una frazione senza trascurare i candidati promettenti, " spiega Wolfgang Schuhmann. Senza questa conoscenza, è possibile che le combinazioni possano essere filtrate utilizzando valutazioni convenzionali anche se queste potrebbero essere molto interessanti se i rapporti degli elementi fossero ottimizzati. "Cosa c'è di più, questo concetto costituisce una pietra angolare per comprendere il complesso modo di agire di questa classe materiale, che aiuta a comprendere meglio i possibili parametri che possono essere regolati e quindi a derivare concetti progettuali promettenti da questo."

Incoraggiare i ricercatori

I ricercatori hanno testato queste considerazioni concettuali con leghe selezionate utilizzando la reazione di riduzione dell'ossigeno relativa alle celle a combustibile. Sono stati in grado di dimostrare in quali casi la sostituzione o l'aggiunta di un elemento a una combinazione di elementi esistente ha un effetto positivo e viceversa. Sono stati anche in grado di identificare le combinazioni adatte per un'ulteriore ottimizzazione.

"Per la sintesi dei materiali, questo significa un immenso risparmio di tempo e denaro, "dice il professor Alfred Ludwig, Cattedra di Scoperta dei Materiali e Interfacce al RUB. "Produrre e analizzare tutti i possibili rapporti tra gli elementi di una lega composta da cinque elementi è una sfida enorme. Eliminando gli ostacoli elementari, speriamo di facilitare ulteriormente l'accesso a questo campo di grande attualità e tecnologicamente rilevante e incoraggiare più ricercatori a contribuire con le loro rispettive competenze".