Un alliage bidimensionnel composé de cinq métaux par opposition aux deux traditionnels a été développé grâce à une collaboration entre des chercheurs de la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis et des chercheurs du College of Engineering de l'Université de l'Illinois à Chicago.

Et, dans une première pour un tel matériau, il a été démontré qu'il agit comme un excellent catalyseur pour réduire le CO 2 , en CO, avec des applications potentielles dans l'assainissement de l'environnement.

La recherche, du laboratoire de Rohan Mishra, professeur assistant au Département de génie mécanique et science des matériaux de l'Université de Washington, a été publié samedi, 26 juin dans la revue Matériaux avancés .

"Nous cherchons à transformer le dioxyde de carbone, qui est un gaz à effet de serre, en monoxyde de carbone, " a déclaré Mishra. " Le monoxyde de carbone peut être combiné avec de l'hydrogène pour faire du méthanol. Cela pourrait être un moyen de prendre du CO 2 de l'air et le recycler en hydrocarbure.

La base de cette innovation est une classe de matériaux connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) - ils comprennent des métaux de transition et un chalcogène, qui comprend du soufre, sélénium et tellure. Lorsqu'un alliage contient plus de trois métaux dans des proportions presque égales, on dit qu'il s'agit d'une « entropie élevée ». D'où le nom verbeux du matériau développé dans le laboratoire de Mishra :les dichalcogénures de métaux de transition à haute entropie.

Les TMDC ne sont pas nouveaux. Il y a eu un intérêt pour des formes bidimensionnelles similaires de ces matériaux en raison de leurs propriétés optiques et électroniques uniques, dit Mishra. Mais il soupçonnait qu'ils pourraient être utilisés pour autre chose.

"Nous les avons examinés, trop, mais en explorant leur potentiel pour l'électrocatalyse, " agissant comme un catalyseur pour faciliter les réactions chimiques. Comme elles sont effectivement bidimensionnelles (environ trois atomes d'épaisseur), ils constituent des catalyseurs efficaces; des réactions se produisent à la surface d'un matériau, et un matériau bidimensionnel a beaucoup de surface, et pas grand chose d'autre. Dans une étude antérieure, également publié dans la revue Matériaux avancés en 2020, le groupe avait montré que les alliages TMDC à deux métaux présentaient une activité catalytique améliorée par rapport aux TMDC individuels. "Cela nous a amené à la question, Est-ce que l'ajout de plus de métaux à ces alliages peut faire des catalyseurs encore meilleurs ? », a déclaré Mishra.

Avec 10 métaux de transition applicables et trois chalcogènes, il existe 135 alliages TMDC possibles à deux métaux et 756 à cinq métaux. Cependant, tout comme l'huile et l'eau, toutes les combinaisons ne se mélangeront pas pour former un alliage homogène.

"Sans guidage par les calculs, déterminer expérimentalement quelles combinaisons élémentaires donneront un alliage devient un processus d'essais et d'erreurs qui est également long et coûteux, " expliqua Mishra.

L'alchimiste dans ce cas était John Cavin, un étudiant diplômé du département de physique des arts et des sciences de l'Université de Washington.

Dans le travail précédent, Cavin avait montré quels deux métaux de transition peuvent être combinés, et à quelles températures, pour former des alliages TMDC binaires.

« La question était, "Pourrions-nous même synthétiser un alliage TMDC contenant autant de composants?", A déclaré Cavin. "Et amélioreront-ils la réduction des émissions de CO 2 en CO ?"

Découvrir, il a utilisé des calculs de mécanique quantique pour prédire quelles combinaisons étaient les plus susceptibles d'améliorer la capacité du matériau à catalyser le CO 2 . Ensuite, il a dû aller plus loin pour déterminer si le matériau serait stable, mais n'avait pas d'outils pour le faire. Donc, il en a développé un lui-même.

"J'ai dû développer un modèle thermodynamique pour prédire des alliages TMDC stables à haute entropie à partir des calculs de mécanique quantique, " a déclaré Cavin. Ces calculs ont été effectués en utilisant des ressources de calcul intensif considérables, mis à disposition par le réseau Extreme Science and Engineering Discovery Environment, qui est soutenu par la National Science Foundation.

Après des années de développement, l'analyse résultante a été envoyée à des collaborateurs expérimentaux de l'Université de l'Illinois à Chicago.

« A l'UIC, ils pourraient synthétiser les matériaux qui, selon nous, formeraient un alliage TMDC à haute entropie, " dit Mishra. " De plus, l'un d'eux a fait preuve d'une activité exceptionnelle."

Ils peuvent avoir d'autres usages, trop. L'UIC a synthétisé trois des quatre alliages TMDC différents et continuera à les analyser.

"Ce sont de nouveaux matériaux, ils n'ont jamais été synthétisés auparavant, " Mishra a dit. "Ils peuvent avoir des propriétés imprévues."

Le travail découle d'une subvention DMREF de la National Science Foundation dans le cadre de la Materials Genome Initiative lancée par le président Barack Obama en 2011 en tant qu'initiative multi-agences pour créer une politique, ressources et infrastructures qui aident les institutions américaines à découvrir, fabriquer et déployer des matériaux avancés de manière efficace et rentable.