Una nueva aleación 2D combina cinco metales y descompone el CO2
Es la primera vez que se demuestra el uso de una aleación multimetálica en 2D
Un material de aleación bidimensional, compuesto por cinco metales en lugar de los dos tradicionales, ha sido desarrollado por una colaboración entre investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en San Luis e investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois en Chicago.
Imágenes de microscopio electrónico de transmisión de barrido de una escama de aleación de metal de transición de alta entropía en su totalidad y una sección resuelta por átomos. Las imágenes monocromáticas muestran la distribución de los distintos elementos.
Mishra Lab
Louis y los investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois en Chicago. Y, por primera vez en un material de este tipo, se ha demostrado que actúa como un excelente catalizador para reducir el CO2 en CO, con posibles aplicaciones en la recuperación del medio ambiente.
La investigación, del laboratorio de Rohan Mishra, profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Washington, se publicó el sábado 26 de junio en la revista Advanced Materials.
"Estamos estudiando la transformación del dióxido de carbono, que es un gas de efecto invernadero, en monóxido de carbono", dijo Mishra. "El monóxido de carbono puede combinarse con el hidrógeno para producir metanol. Podría ser una forma de tomar el CO2 del aire y reciclarlo para convertirlo en un hidrocarburo".
La base de esta innovación es una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMDC): incluyen metales de transición y un calcogen, que incluye azufre, selenio y telurio. Cuando una aleación contiene más de tres metales en proporciones casi iguales, se dice que es de "alta entropía". De ahí el prolijo nombre del material desarrollado en el laboratorio de Mishra: dicalcogenuros de metales de transición de alta entropía.
Los TMDC no son nuevos. Ha habido interés por formas bidimensionales similares de estos materiales debido a sus propiedades ópticas y electrónicas únicas, dijo Mishra. Pero tenía la sospecha de que podían utilizarse para algo más.
"También los hemos estudiado, pero explorando su potencial para la electrocatálisis", actuando como catalizadores para facilitar las reacciones químicas. Como son efectivamente bidimensionales (de unos tres átomos de grosor), son catalizadores eficaces; las reacciones se producen en la superficie de un material, y un material bidimensional tiene mucha superficie, y no mucho más. En un estudio anterior, también publicado en la revista Advanced Materials en 2020, el grupo había demostrado que las aleaciones de TMDC de dos metales mostraban una mejor actividad catalítica que los TMDC individuales. "Esto nos llevó a preguntarnos si añadiendo más metales a estas aleaciones se pueden conseguir catalizadores aún mejores". dijo Mishra.
Con 10 metales de transición aplicables y tres calcógenos, hay 135 aleaciones TMDC de dos metales y 756 de cinco metales posibles. Sin embargo, al igual que el aceite y el agua, no todas las combinaciones se mezclan para formar una aleación homogénea.
"Sin la guía de los cálculos, determinar experimentalmente qué combinaciones de elementos darán lugar a una aleación se convierte en un proceso de ensayo y error que, además, es largo y caro", explica Mishra.
El alquimista en este caso fue John Cavin, estudiante de posgrado del Departamento de Física de Artes y Ciencias de la Universidad de Washington.
En el trabajo anterior, Cavin había demostrado qué dos metales de transición pueden combinarse, y a qué temperaturas, para formar aleaciones binarias de TMDC.
"La pregunta era: ¿podríamos sintetizar una aleación de TMDC que tuviera tantos componentes?". dijo Cavin. "¿Y mejorarán la reducción del CO2 en CO?".
Para averiguarlo, utilizó cálculos de mecánica cuántica para predecir qué combinaciones tenían más probabilidades de mejorar la capacidad del material para catalizar el CO2. Luego tuvo que ir más allá para determinar si el material sería estable, pero no tenía herramientas para hacerlo. Así que desarrolló una él mismo.
"Tuve que desarrollar un modelo termodinámico para predecir aleaciones TMDC estables de alta entropía a partir de los cálculos de mecánica cuántica", dijo Cavin. Estos cálculos se llevaron a cabo utilizando considerables recursos de supercomputación, puestos a disposición por la red Extreme Science and Engineering Discovery Environment, que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation.
Tras años de desarrollo, el análisis resultante se envió a colaboradores experimentales de la Universidad de Illinois en Chicago.
"En la UIC pudieron sintetizar los materiales que predijimos que formarían una aleación TMDC de alta entropía", dijo Mishra. "Además, uno de ellos mostró una actividad excepcional".
También pueden tener otros usos. La UIC sintetizó tres de las cuatro aleaciones diferentes de TMDC y seguirá analizándolas.
"Son materiales nuevos, nunca antes se habían sintetizado", dijo Mishra. "Pueden tener propiedades imprevistas".
El trabajo se deriva de una subvención DMREF de la Fundación Nacional de la Ciencia como parte de la Iniciativa del Genoma de los Materiales lanzada por el presidente Barack Obama en 2011 como una iniciativa multiagencial para crear políticas, recursos e infraestructuras que apoyen a las instituciones estadounidenses para descubrir, fabricar y desplegar materiales avanzados de manera eficiente y rentable.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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