Alan Savan (à gauche) et Tobias Löffler analysent des alliages à haute entropie. Crédit : RUB, Marquard
Un nouveau concept permet d'identifier les plus prometteuses parmi une multitude de combinaisons d'éléments possibles.
La réussite de la transition énergétique dépend fortement d'électrocatalyseurs performants, par exemple pour les piles à combustible ou la réduction du CO
Des catalyseurs efficaces fabriqués à partir d'éléments peu coûteux et disponibles
Les espoirs des chercheurs concernant de nouveaux catalyseurs à base d'éléments peu coûteux et disponibles reposent sur ce que l'on appelle des solutions solides complexes, également appelés alliages à haute entropie. Ils se composent de cinq éléments ou plus qui sont mélangés de manière homogène et les divers, dont les interactions complexes permettent des ajustements fins des propriétés pertinentes. Surtout, ce ne sont pas seulement les propriétés des éléments individuels qui sont cruciales mais surtout leur interaction. "Cela ouvre un large éventail de possibilités autrement inaccessibles afin d'optimiser simultanément le prix et les performances pour les applications possibles, " déclare le professeur Wolfgang Schuhmann du Center for Electrochemical Sciences de la RUB.
Cependant, les connaissances fondamentales sur la nouvelle classe de catalyseurs récemment découverte font encore défaut. Quelles informations pourraient être fournies par les mesures pour faire des avancées ciblées dans le développement de catalyseurs ? Comment cela aide-t-il à trouver la bonne parmi les combinaisons presque infinies possibles ? Quel effet le remplacement d'un élément a-t-il sur les propriétés ?
L'équipe performante :Michael Meischein, Tobias Löffler, Wolfgang Schuhmann, Alan Savan et Alfred Ludwig (à partir de la gauche). Crédit : RUB, Marquard
Interpréter les résultats avec plus de précision
« Nous avons développé un concept qui nous permet de comprendre les corrélations entre la sélection des éléments, théorique, propriétés définissant l'activité, et des paramètres réellement mesurables, " rapporte Tobias Löffler, un doctorant en électrochimie. Comme les solutions solides complexes diffèrent des électrocatalyseurs conventionnels sur tous ces points, cette compréhension est fondamentale pour le progrès expérimental.
Les chercheurs sont donc confrontés au défi que non seulement la combinaison des éléments mais aussi la proportion de chaque élément est cruciale et que tout écart modifie les propriétés. "Nous montrons comment des expériences avec un alliage fabriqué à partir de, par exemple, cinq parties égales de chaque élément peuvent être interprétées afin d'identifier la combinaison d'éléments comme potentiellement active, " explique Tobias Löffler. Les chercheurs sont ainsi en mesure d'identifier rapidement s'il est intéressant d'optimiser les proportions des éléments. " Cela nous permet de réduire à une fraction la charge de travail de criblage d'éventuelles compositions de matériaux sans négliger les candidats prometteurs, " explique Wolfgang Schuhmann. Sans cette connaissance, il est possible que des combinaisons puissent être filtrées à l'aide d'évaluations conventionnelles même si celles-ci pourraient être très intéressantes si les ratios d'éléments étaient optimisés. "Quoi de plus, ce concept constitue une pierre angulaire pour comprendre le mode d'action complexe de cette classe matérielle, ce qui permet de mieux comprendre les paramètres possibles qui peuvent être ajustés et ainsi d'en tirer des concepts de conception prometteurs."
Encourager les chercheurs
Les chercheurs ont testé ces considérations conceptuelles avec des alliages sélectionnés en utilisant la réaction de réduction de l'oxygène pertinente pour les piles à combustible. Ils ont pu démontrer dans quels cas le remplacement ou l'ajout d'un élément à une combinaison d'éléments existante a un effet positif et vice versa. Ils ont également pu identifier des combinaisons adaptées à une optimisation ultérieure.
« Pour la synthèse matérielle, cela signifie une immense économie de temps et d'argent, " dit le professeur Alfred Ludwig, Chaire de découverte de matériaux et d'interfaces à RUB. « Produire et analyser tous les rapports d'éléments possibles d'un alliage composé de cinq éléments est un énorme défi. En éliminant les obstacles élémentaires, nous espérons faciliter davantage l'accès à ce domaine hautement d'actualité et technologiquement pertinent et encourager davantage de chercheurs à contribuer avec leurs compétences respectives. »
