Hochentropielegierungen (HEAs) wurden 2004 eingeführt und sind Legierungen, die aus mehreren Hauptelementen in nahezu äquiatomaren Anteilen bestehen. Ihre einzigartige chemische Zusammensetzung führt zu einem hohen Grad an chemischer Unordnung, also Entropie, und erzeugt bemerkenswerte Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Duktilität und starke Verschleißfestigkeit auch bei hohen Temperaturen. Wissenschaftler haben der Entwicklung neuartiger HEAs große Aufmerksamkeit gewidmet, um die Leistung verschiedener Elektrokatalysatormaterialien zu verbessern.
Da sie aus unterschiedlichen Bestandteilen bestehen, können die Oberflächendesigns von HEAs auf atomarer Ebene komplex sein. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, diese Komplexität zu entschlüsseln, da die Oberflächeneigenschaften von Materialien häufig ihre katalytische Aktivität bestimmen. Aus diesem Grund versuchen Forscher, den Zusammenhang zwischen der Atomanordnung und den katalytischen Eigenschaften von HEAs zu verstehen.
Jetzt hat ein gemeinsames Forschungsteam eine neue experimentelle Plattform geschaffen, die die Kontrolle der Struktur der HEA-Oberflächen auf atomarer Ebene und die Möglichkeit ermöglicht, ihre katalytischen Eigenschaften zu testen. Über ihren Durchbruch wurde in der Zeitschrift berichtet Naturkommunikation am 26. Juli 2023.
„In unserer Studie haben wir dünne Schichten einer Legierung namens Cantor-Legierung hergestellt, die eine Mischung aus Elementen (Cr-Mn-Fe-Co-Ni) auf Platinsubstraten (Pt) enthält“, erklärt Toshimasa Wadayama, Mitautor von der Artikel und Professor an der Graduate School of Environmental Studies der Tohoku-Universität. „Dadurch entstand eine Modelloberfläche zur Untersuchung einer spezifischen Reaktion namens Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR).“
Mithilfe fortschrittlicher Bildgebungstechniken untersuchte die Gruppe die Struktur der Pt-HEAs-Oberflächen auf atomarer Ebene und untersuchte ihre ORR-Eigenschaften. Sie fanden heraus, dass die Oberflächen der Pt-HEAs bei der ORR eine bessere Leistung erbringen als Oberflächen aus einer Platin-Kobalt-Legierung. Dies weist darauf hin, dass die atomare Anordnung und Verteilung der Elemente in der Nähe der Oberfläche, die eine „Pseudo-Kern-Schale-ähnliche Struktur“ erzeugt, zu den hervorragenden katalytischen Eigenschaften von Pt-HEAs beiträgt.
Wadayama und seine Gruppe betonen die breite Anwendbarkeit ihrer Erkenntnisse, sowohl für alle Bestandteile als auch für andere Nanomaterialien.
„Unsere neu aufgebaute experimentelle Studienplattform bietet uns ein leistungsstarkes Werkzeug zur Aufklärung der detaillierten Beziehung zwischen Oberflächenmikrostrukturen von Mehrkomponentenlegierungen und ihren katalytischen Eigenschaften. Sie dient der Klärung der genauen Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur auf atomarer Ebene, der Oberflächenmikrostruktur und den elektrokatalytischen Eigenschaften von.“ HEAs aller konstituierenden Elemente und Verhältnisse und würden somit zuverlässige Trainingsdatensätze für die Materialinformatik liefern. Die Plattform ist nicht nur auf die Elektrokatalyse anwendbar, sondern auch in verschiedenen Bereichen funktioneller Nanomaterialien.“
Mit Blick auf die Zukunft hofft die Gruppe, diese Plattform auf die praktische Elektrokatalyse auszuweiten, indem Pt-HEA-Nanopartikel verwendet werden, die darauf abzielen, elektrochemische Oberflächen zu vergrößern.
Mehr Informationen:
Yoshihiro Chida et al., Experimentelle Studienplattform für die Elektrokatalyse von kontrollierten hochentropischen Legierungsoberflächen auf atomarer Ebene, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40246-5