L'industrie utilise des alliages de platine comme catalyseurs pour la réduction de l'oxygène, indispensable dans les piles à combustible et les batteries métal-air, entre autres applications. Cher et rare, ce métal impose des restrictions strictes sur la fabrication. Des chercheurs de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) et du Max-Planck-Institut für Eisenforschung ont découvert un alliage à cinq éléments sans métal noble et aussi actif que le platine. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Matériaux énergétiques avancés .

Les propriétés catalytiques des éléments non nobles et de leurs alliages sont généralement médiocres. A la surprise des chercheurs, un alliage composé de cinq composants presque également équilibrés offre de bien meilleures propriétés. Cela est dû à ce que l'on appelle l'effet d'entropie élevée :il fait que les alliages multinaires conservent une structure cristalline simple.

« Par l'interaction de différents éléments voisins, de nouveaux centres actifs se forment qui présentent des propriétés entièrement nouvelles et ne sont donc plus liés aux propriétés limitées des éléments individuels, " explique Tobias Löffler, doctorat étudiant à la RUB Chair of Analytical Chemistry—Center for Electrochemical Sciences dirigée par le professeur Wolfgang Schuhmann. "Nos recherches ont démontré que cet alliage pourrait être pertinent pour la catalyse."

Génération de bibliothèques de nanoparticules d'alliages

A la recherche d'une alternative au platine, des chercheurs de la chaire RUB des matériaux pour la microtechnologie dirigée par le professeur Alfred Ludwig ont déployé une méthode spéciale pour générer une bibliothèque de nanoparticules d'alliage de cinq éléments sources. Leurs atomes se mélangent dans le plasma et forment des nanoparticules dans un substrat de liquide ionique. Le liquide est placé dans de petites cavités sur un support.

Si les nanoparticules sont situées à proximité de la source d'atomes respective, le pourcentage d'atomes de cette source est plus élevé dans la particule respective. Au centre du porteur, les cinq éléments sont présents en quantités plus ou moins égales. "Ce processus combinatoire nous permet de contrôler avec précision la composition des nanoparticules d'alliage n'importe où dans la bibliothèque de matériaux, " dit Alfred Ludwig.

Composition optimisée

Dirigé par le professeur Christina Scheu, l'équipe de recherche du Max-Planck-Institut für Eisenforschung a analysé les nanoparticules par microscopie électronique à transmission. Les chimistes du RUB ont déterminé leur activité catalytique et l'ont comparée à celle des nanoparticules de platine. Dans le processus, ils ont identifié un système composé de cinq éléments dans lequel l'effet d'entropie élevée se traduit par une activité catalytique pour une réduction de l'oxygène similaire à celle du platine. En optimisant davantage la composition, ils ont réussi à améliorer l'activité globale.

"Ces résultats peuvent avoir des conséquences de grande envergure pour l'électrocatalyse en général, " explique Wolfgang Schuhmann. Les chercheurs espèrent adapter les propriétés à toutes les réactions requises en profitant du nombre presque infini de combinaisons possibles des éléments et des modifications de leur composition. " En conséquence, l'application ne se limitera pas nécessairement à la réduction de l'oxygène, " dit Ludwig. L'équipe de recherche a déjà déposé un brevet.

Cependant, comme l'interaction des éléments n'est pas entièrement comprise, les chercheurs ne peuvent pas encore développer de catalyseurs spécifiques. "Ce projet de recherche jette les bases d'autres études pour mieux comprendre le processus, et il introduit des alliages à haute entropie composés de plusieurs éléments en tant que nouvelle catégorie de catalyseurs, " dit Ludwig.