Scansione di immagini al microscopio elettronico a trasmissione di un fiocco di lega di dicalcogenuro di metallo di transizione ad alta entropia nella sua interezza e una sezione risolta con un atomo. Le immagini monocromatiche rappresentano la distribuzione di diversi elementi. Credito:Mishra Lab
Un materiale in lega bidimensionale, composto da cinque metalli rispetto ai tradizionali due, è stato sviluppato da una collaborazione tra ricercatori della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis e ricercatori del College of Engineering dell'Università di Illinois a Chicago.
E, per la prima volta per un materiale del genere, ha dimostrato di agire come un ottimo catalizzatore per la riduzione della CO 2 , in CO, con potenziali applicazioni nella bonifica ambientale.
La ricerca, dal laboratorio di Rohan Mishra, assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali presso la Washington University, è stato pubblicato sabato, 26 giugno nel diario Materiale avanzato .
"Stiamo cercando di trasformare l'anidride carbonica, che è un gas serra, in monossido di carbonio, " Ha detto Mishra. "Il monossido di carbonio può essere combinato con l'idrogeno per produrre metanolo. Potrebbe essere un modo per prendere CO 2 dall'aria e riciclarlo nuovamente in un idrocarburo."
La base di questa innovazione è una classe di materiali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), che includono metalli di transizione e un calcogeno, che include zolfo, selenio e tellurio. Quando una lega contiene più di tre metalli in rapporti quasi uguali, si dice che sia "alta entropia". Da qui il nome verboso del materiale sviluppato nel laboratorio di Mishra:dicalcogenuri di metalli di transizione ad alta entropia.
I TMDC non sono nuovi. C'è stato interesse per forme bidimensionali simili di questi materiali a causa delle loro proprietà ottiche ed elettroniche uniche, disse Mishra. Ma aveva il sospetto che potessero essere usati per qualcos'altro.
"Abbiamo guardato questi, pure, ma esplorando il loro potenziale per l'elettrocatalisi, " agendo da catalizzatore per facilitare le reazioni chimiche. Poiché sono effettivamente bidimensionali (spessore circa tre atomi), costituiscono dei catalizzatori efficienti; reazioni si verificano sulla superficie di un materiale, e un materiale bidimensionale ha molta superficie, e poco altro. In uno studio precedente, pubblicato anche sulla rivista Materiale avanzato nel 2020, il gruppo aveva dimostrato che le leghe TMDC a due metalli mostravano una migliore attività catalitica rispetto ai singoli TMDC. "Questo ci ha portato alla domanda, l'aggiunta di più metalli a queste leghe può produrre catalizzatori ancora migliori?" ha detto Mishra.
Con 10 metalli di transizione applicabili e tre calcogeni, ci sono 135 leghe TMDC a due metalli e 756 a cinque metalli possibili. Però, proprio come l'olio e l'acqua, non tutte le combinazioni si mescoleranno per formare una lega omogenea.
"Senza una guida dai calcoli, determinare sperimentalmente quali combinazioni elementari daranno una lega diventa un processo per tentativi ed errori che richiede tempo e denaro, "Spiega Mishra.
L'alchimista in questo caso era John Cavin, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica in Arti e Scienze della Washington University.
Nel lavoro precedente, Cavin aveva mostrato quali due metalli di transizione possono essere combinati, e a che temperature, per formare leghe binarie TMDC.
"La domanda era, "Potremmo anche sintetizzare una lega TMDC con così tanti componenti?", ha detto Cavin. "E miglioreranno la riduzione di CO 2 in CO?"
Per scoprirlo, ha usato calcoli di meccanica quantistica per prevedere quali combinazioni avevano maggiori probabilità di migliorare la capacità del materiale di catalizzare la CO 2 . Poi ha dovuto andare oltre per determinare se il materiale sarebbe stato stabile, ma non aveva gli strumenti per farlo. Così, ne ha sviluppato uno lui stesso.
"Ho dovuto sviluppare un modello termodinamico per prevedere le leghe TMDC stabili ad alta entropia dai calcoli della meccanica quantistica, " ha detto Cavin. Questi calcoli sono stati effettuati utilizzando considerevoli risorse di supercalcolo, messo a disposizione dalla rete Extreme Science and Engineering Discovery Environment, che è sostenuto dalla National Science Foundation.
Dopo anni di sviluppo, l'analisi risultante è stata inviata ai collaboratori sperimentali dell'Università dell'Illinois a Chicago.
"All'UIC, potrebbero sintetizzare i materiali che avevamo previsto avrebbero formato una lega TMDC ad alta entropia, " Ha detto Mishra. "Inoltre, uno di loro ha mostrato un'attività eccezionale."
Possono avere altri usi, pure. L'UIC ha sintetizzato tre delle quattro diverse leghe TMDC e continuerà ad analizzarle.
"Questi sono nuovi materiali, non sono mai stati sintetizzati prima, " Ha detto Mishra. "Potrebbero avere proprietà impreviste".
Il lavoro nasce da una sovvenzione DMREF della National Science Foundation come parte della Materials Genome Initiative lanciata dal presidente Barack Obama nel 2011 come iniziativa multi-agenzia per creare politiche, risorse e infrastrutture che supportano le istituzioni statunitensi per scoprire, produrre e distribuire materiali avanzati in modo efficiente ed economico.
