De nombreuses réactions chimiques pertinentes pour les nouvelles sources d'énergie sont très complexes et entraînent des pertes d'énergie considérables. Ainsi, les systèmes de conversion et de stockage d'énergie ou les piles à combustible ne sont pas encore largement utilisés dans les applications commerciales. Des chercheurs de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) et du Max-Planck-Institut für Eisenforschung à Düsseldorf présentent désormais une nouvelle classe de catalyseurs théoriquement adaptés à une utilisation universelle.

Ces alliages dits à haute entropie sont formés en mélangeant des proportions presque égales de cinq éléments ou plus. Ils pourraient enfin repousser les limites des catalyseurs traditionnels qui sont insurpassables depuis des décennies. L'équipe de recherche décrit leurs principes de fonctionnement électrocatalytiques peu communs ainsi que leur potentiel d'application systématique dans la revue Lettres énergétiques ACS .

Bibliothèques de matériaux pour la recherche en électrocatalyse

La classe de matériaux des alliages à haute entropie présente des propriétés physiques qui ont un potentiel considérable pour de nombreuses applications. En réduction d'oxygène, ils ont déjà atteint l'activité d'un catalyseur au platine.

« Dans notre département, nous disposons de méthodes uniques pour fabriquer ces matériaux complexes à partir de cinq éléments sources dans différentes compositions sous forme de bibliothèques de couches minces ou de nanoparticules, " explique le professeur Alfred Ludwig de la chaire des matériaux pour la microtechnologie de la RUB. Les atomes des éléments sources se mélangent dans le plasma et forment des nanoparticules dans un substrat de liquide ionique. 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. « Des recherches très limitées ont encore été menées sur l'utilisation de tels matériaux en électrocatalyse, " dit Ludwig.

Manipulation des étapes de réaction individuelles

Cela devrait changer dans un proche avenir. Les chercheurs ont postulé que les interactions uniques de différents éléments voisins pourraient ouvrir la voie au remplacement des métaux nobles par des matériaux équivalents. "Nos dernières recherches ont mis au jour d'autres caractéristiques uniques, par exemple le fait que cette classe peut également affecter les interdépendances entre les différentes étapes de réaction, " dit Tobias Löffler, doctorat chercheur au Center for Electrochemical Sciences de la RUB Chair of Analytical Chemistry. "Ainsi, il contribuerait à résoudre l'un des problèmes majeurs de nombreuses réactions de conversion d'énergie, à savoir de grandes pertes d'énergie autrement inévitables. Les possibilités théoriques semblent presque trop belles pour être vraies."

Fondation pour la recherche en cours

Afin de favoriser des progrès rapides, l'équipe de Bochum et Düsseldorf a décrit ses premiers résultats dans le but d'interpréter les premières observations caractéristiques, décrivant les défis, et proposer des premières lignes directrices, toutes propices à l'avancement de la recherche. "La complexité de l'alliage se reflète dans les résultats de la recherche, et de nombreuses analyses seront nécessaires avant de pouvoir évaluer son potentiel réel. Toujours, aucun des résultats à ce jour n'empêche une percée, " suppose le professeur Wolfgang Schuhmann, Chaire de chimie analytique à la RUB.

Visualisation en 3D

La caractérisation des nanoparticules de catalyseur, trop, est propice à la recherche. "Afin d'avoir une idée de comment, exactement, l'activité est affectée par la structure, la visualisation haute résolution de la surface du catalyseur au niveau atomique est un outil utile, de préférence en 3-D, ", déclare le professeur Christina Scheu du Max-Planck-Institut für Eisenforschung à Düsseldorf. Les chercheurs ont déjà démontré qu'il s'agit d'un objectif réalisable, s'il n'est pas encore appliqué à cette classe de catalyseurs.

La question de savoir si de tels catalyseurs faciliteront la transition vers une gestion durable de l'énergie reste sans réponse. "Avec nos études, nous avons l'intention de jeter les bases des recherches en cours dans ce domaine, " concluent les auteurs.