Introduits en 2004, les alliages à haute entropie (HEA) sont des alliages composés de plusieurs éléments principaux dans des proportions presque équiatomiques. Leur composition chimique unique entraîne un degré élevé de désordre chimique, c’est-à-dire d’entropie, et produit des propriétés remarquables telles qu’une résistance élevée, une ductilité et une forte résistance à l’usure, même à des températures élevées. Les scientifiques ont consacré une attention considérable au développement de nouveaux HEA pour aider à améliorer les performances de divers matériaux électrocatalyseurs.
Parce qu’ils sont constitués d’éléments constitutifs différents, les conceptions de surface au niveau atomique des HEA peuvent être complexes. Mais démêler cette complexité est crucial, car les propriétés de surface des matériaux dictent souvent leur activité catalytique. C’est pourquoi les chercheurs cherchent à comprendre la corrélation entre l’arrangement atomique et les propriétés catalytiques présentées par les HEA.
Aujourd’hui, une équipe de recherche collaborative a créé une nouvelle plate-forme expérimentale qui permet de contrôler la structure au niveau atomique des surfaces des HEA et de tester leurs propriétés catalytiques. Leur percée a été rapportée dans le journal Communication Nature le 26 juillet 2023.
« Dans notre étude, nous avons réalisé de fines couches d’un alliage appelé alliage Cantor, qui contient un mélange d’éléments (Cr-Mn-Fe-Co-Ni), sur des substrats de platine (Pt) », explique Toshimasa Wadayama, co-auteur de l’article et professeur à l’École supérieure d’études environnementales de l’Université de Tohoku. « Cela a produit une surface modèle pour étudier une réaction spécifique appelée réaction de réduction de l’oxygène (ORR). »
À l’aide de techniques d’imagerie avancées, le groupe a examiné la structure au niveau atomique des surfaces des Pt-HEA et étudié leurs propriétés ORR. Ils ont découvert que les surfaces des Pt-HEA étaient plus performantes en ORR que les surfaces en alliage platine-cobalt. Cela indique que l’arrangement atomique et la distribution des éléments près de la surface, qui créent une « structure pseudo-cœur-coque », contribuent aux excellentes propriétés catalytiques des Pt-HEA.
Wadayama et son groupe soulignent la large applicabilité de leurs découvertes, à la fois pour tous les éléments constitutifs et pour d’autres nanomatériaux.
« Notre plate-forme d’étude expérimentale nouvellement construite nous fournit un outil puissant pour élucider la relation détaillée entre les microstructures de surface d’alliages multi-composants et leurs propriétés catalytiques. Elle est valable pour clarifier les corrélations précises entre le niveau atomique, la microstructure de surface et les propriétés électrocatalytiques de HEA de tous les éléments constitutifs et ratios et, par conséquent, fournirait des ensembles de données de formation fiables pour l’informatique des matériaux. La plate-forme s’applique non seulement à l’électrocatalyse, mais également à divers domaines des nanomatériaux fonctionnels.
À l’avenir, le groupe espère étendre cette plate-forme à l’électrocatalyse pratique en utilisant des nanoparticules de Pt-HEA qui cherchent à augmenter les surfaces électrochimiques.
Plus d’information:
Yoshihiro Chida et al, Plate-forme d’étude expérimentale pour l’électrocatalyse de surfaces d’alliages à haute entropie contrôlées au niveau atomique, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-40246-5