Un tipo emergente di nanoparticelle di lega si dimostra più stabile, durevole rispetto alle nanoparticelle a elemento singolo.

I catalizzatori sono parte integrante di innumerevoli aspetti della società moderna. Accelerando importanti reazioni chimiche, i catalizzatori supportano la produzione industriale e riducono le emissioni nocive. Aumentano inoltre l'efficienza nei processi chimici per applicazioni che vanno dalle batterie e dai trasporti alla birra e ai detersivi per bucato.

Per quanto significativi siano i catalizzatori, il modo in cui funzionano è spesso un mistero per gli scienziati. Comprendere i processi catalitici può aiutare gli scienziati a sviluppare catalizzatori più efficienti ed economici. In un recente studio, scienziati dell'Università dell'Illinois di Chicago (UIC) e dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto che, durante una reazione chimica che spesso degrada rapidamente i materiali catalitici, un certo tipo di catalizzatore mostra stabilità e durata eccezionalmente elevate.

I catalizzatori in questo studio sono nanoparticelle di lega, o particelle nanometriche composte da più elementi metallici, come il cobalto, nichel, rame e platino. Queste nanoparticelle potrebbero avere molteplici applicazioni pratiche, compresa la scissione dell'acqua per generare idrogeno nelle celle a combustibile; riduzione dell'anidride carbonica catturandola e convertendola in materiali utili come il metanolo; reazioni più efficienti nei biosensori per rilevare le sostanze nel corpo; e celle solari che producono calore, elettricità e carburante in modo più efficiente.

In questo studio, gli scienziati hanno studiato le nanoparticelle di lega "ad alta entropia" (altamente stabile). Il team di ricercatori, guidato da Reza Shahbazian-Yassar all'UIC, utilizzato il Centro Argonne per i materiali su nanoscala (CNM), una struttura utente DOE Office of Science, caratterizzare la composizione delle particelle durante l'ossidazione, un processo che degrada il materiale e ne riduce l'utilità nelle reazioni catalitiche.

"Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione del flusso di gas (TEM) al CNM, possiamo catturare l'intero processo di ossidazione in tempo reale e ad altissima risoluzione, " ha detto lo scienziato Bob Song dell'UIC, uno scienziato capo dello studio. "Abbiamo scoperto che le nanoparticelle di lega ad alta entropia sono in grado di resistere all'ossidazione molto meglio delle particelle metalliche generali".

Per eseguire il TEM, gli scienziati hanno incorporato le nanoparticelle in una membrana di nitruro di silicio e hanno fatto fluire diversi tipi di gas attraverso un canale sopra le particelle. Un fascio di elettroni ha sondato le reazioni tra le particelle e il gas, rivelando il basso tasso di ossidazione e la migrazione di alcuni metalli:ferro, cobalto, nichel e rame, alle superfici delle particelle durante il processo.

"Il nostro obiettivo era capire quanto velocemente i materiali ad alta entropia reagiscono con l'ossigeno e come si evolve la chimica delle nanoparticelle durante tale reazione, " disse Shahbazian-Yassar, Professore UIC di ingegneria meccanica e industriale presso il College of Engineering.

Secondo Shahbazian-Yassar, le scoperte fatte in questa ricerca potrebbero avvantaggiare molte tecnologie di accumulo e conversione dell'energia, come le celle a combustibile, batterie al litio-aria, supercondensatori e materiali catalizzatori. Le nanoparticelle potrebbero anche essere utilizzate per sviluppare materiali resistenti alla corrosione e alle alte temperature.

"Questa è stata una vetrina di successo di come le capacità e i servizi di CNM possono soddisfare le esigenze dei nostri collaboratori, " ha detto Yuzi Liu di Argonne, uno scienziato al CNM. "Disponiamo di strutture all'avanguardia, e vogliamo fornire anche la scienza allo stato dell'arte".