Un mapa del tesoro para el reino de los electrocatalizadores
La investigación de materiales prometedores se ve obstaculizada por el gran número de posibles candidatos: Un método eficaz para resolver este problema desarrollado ahora
Los electrocatalizadores eficientes, necesarios para la producción de hidrógeno verde, por ejemplo, se esconden en materiales compuestos por cinco o más elementos. Un equipo de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) y la Universidad de Copenhague ha desarrollado un método eficaz para identificar candidatos prometedores en la miríada de materiales posibles. Para ello, los investigadores combinaron experimentos y simulación.
Vista de la máquina de sputtering utilizada para producir los contadores de la biblioteca de materiales.
© Christian Nielinger
Se pueden concebir millones de sistemas
Las aleaciones de alta entropía (HEA) son materiales químicamente complejos formados por mezclas de cinco o más elementos. Lo interesante de ellos es que ofrecen posibilidades completamente nuevas para el desarrollo de electrocatalizadores. Estos catalizadores se necesitan urgentemente para hacer más eficientes los procesos de conversión de energía, por ejemplo, para la producción y uso de hidrógeno verde. "El problema de los HEA es que, en principio, son posibles millones de sistemas de alta entropía y cada sistema implica decenas de miles de composiciones diferentes", explica el profesor Alfred Ludwig, que dirige la Cátedra de Descubrimiento de Materiales e Interfaces de la RUB. Es casi imposible abordar tal complejidad con los métodos convencionales y los procedimientos tradicionales de alto rendimiento".
Cinco fuentes, seis constelaciones
Los investigadores describen en su artículo un nuevo método que debería ayudar a encontrar aleaciones prometedoras de alta entropía para la electrocatálisis. En el primer paso, el equipo desarrolló una forma de producir tantas composiciones potenciales como fuera posible. Para ello, utilizaron un sistema de pulverización que aplica simultáneamente los cinco materiales base a un soporte. "Se puede imaginar esto como cinco botes de spray dirigidos a un punto del objetivo", explica el Dr. Lars Banko, investigador del RUB. Esto produce una composición muy específica de los cinco materiales base en cada punto del soporte, las llamadas bibliotecas de materiales. Como esta composición también se ve afectada por la posición de las fuentes de los materiales fuente, el equipo de investigación las modificó en el experimento. Las bibliotecas de materiales procedentes de los procesos de fabricación con seis constelaciones diferentes de las fuentes se caracterizaron posteriormente mediante mediciones de alto rendimiento.
A continuación, el equipo de electroquímica de la RUB examinó las bibliotecas de materiales de esta manera para determinar su actividad electrocatalítica". Esto nos permite identificar las tendencias en las que se encuentran los posibles candidatos prometedores", explica la Dra. Olga Krysiak, que con Lars Banko es autora principal del trabajo. El equipo cotejó estos datos del experimento con un amplio conjunto de datos de simulación proporcionados por los investigadores de la Universidad de Copenhague para comprender con mayor detalle la composición de los materiales. La comparación entre la simulación y el experimento permite a los investigadores explorar la escala atómica de los electrocatalizadores, estimar la disposición estadística de los átomos en la superficie del material y determinar su influencia en la actividad catalítica.
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Publicación original
Lars Banko, Olga A. Krysiak, Jack K. Pedersen, Bin Xiao, Alan Savan, Tobias Löffler, Sabrina Baha, Jan Rossmeisl, Wolfgang Schuhmann, Alfred Ludwig; "Unravelling Composition–Activity–Stability Trends in High Entropy Alloy Electrocatalysts by Using a Data-Guided Combinatorial Synthesis Strategy and Computational Modeling"; Advanced Energy Materials; 2022
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