Новый рекорд: впервые исследователи получили каталитический материал, содержащий 14 гомогенно смешанных металлов. Такой многоэлементный сплав считается «суперкатализатором» - особо прочным и универсальным ускорителем реакций. Среди прочего, нанопористый многоэлементный катализатор может сделать процесс расщепления воды электролизом более энергоэффективным, как сообщается в специализированном журнале «Chemical Science».
Катализаторы уже стали незаменимыми помощниками в химии и технике. Однако катализаторы могут сыграть особенно важную роль в будущем производстве энергии и приводах. Потому что они определяют, насколько эффективно происходит производство водорода посредством электролиза и насколько хорошо работают топливные элементы. Они также необходимы для преобразования CO2, пластиковых отходов или растительных остатков в топливо и другие полезные соединения.
Эффекты синергии за счет комбинации элементов
В частности, для электролиза исследователи все еще ищут катализаторы, которые сделают расщепление воды максимально энергоэффективным. Перспективными кандидатами для этого считаются так называемые высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) - материалы, состоящие из нескольких гомогенно смешанных металлов и содержащиеся почти в равных пропорциях. Благодаря синергетическому эффекту эти сплавы являются не только эффективными катализаторами, но и особенно твердыми, стабильными и устойчивыми к окислению, коррозии, износу и другим разрушениям.
«Активные поверхности таких высокоэнтропийных сплавов состоят из миллионов различных атомных расположений, и в результате некоторые участки поверхности всегда обладают оптимальными каталитическими свойствами, благодаря которым они могут преодолеть недостатки современных катализаторов», объясняют Ze-Xing Cai из Технического университета Коти в Японии и его коллеги. Однако производство таких многоэлементных сплавов далеко не простое - многие металлы не могут быть легко смешаны, а также трудно добиться однородности.
Смесь 14 металлов
Теперь Цаю и его коллегам впервые удалось создать многоэлементный катализатор из 14 металлов. Новый материал состоит из однородной смеси металлов алюминия, серебра, золота, кобальта, меди, железа, иридия, молибдена, никеля, палладия, платины, родия, рутения и титана. «Эти элементы входят в число переходных металлов и благородных металлов, которые особенно часто используются в качестве катализаторов», - пишет команда.
Чтобы привести эти металлы в нужную смесь, исследователи применили хитрость: сначала они создали сплав, в котором преобладал алюминий, выступавший своеобразным буфером для остальных металлов, подмешанных в меньших пропорциях.. Затем они растворили большую часть алюминия с помощью комбинации щелочных растворителей и электрохимических реакций.
В электролизе лучше, чем обычные катализаторы
В результате получается материал, в котором 14 различных металлов содержатся в почти равных и в значительной степени однородно распределенных пропорциях, как показал анализ рассеяния рентгеновских лучей. Еще более интересной для катализатора является внутренняя структура этого нового высокоэнтропийного сплава: атомы металла образуют пористую губчатую структуру с полостями размером от 5 до 50 нанометров - это дает им большую площадь поверхности и, следовательно, большую площадь реакции для каталитические реакции.
Кай и его коллеги проверили, насколько хорошо этот «суперкатализатор» работает в различных подходах к электролизу. Было обнаружено: «Электрохимическая стабильность и каталитическая активность превосходят коммерческие катализаторы, такие как платина/графен или диоксид иридия, как при производстве водорода, так и при производстве кислорода в кислых средах», - сообщают исследователи.
Omni Catalyst Шансы
По мнению ученых, такие высокоэнтропийные сплавы и их метод производства таких многоэлементных катализаторов открывают возможность создания в будущем индивидуальных, долговечных и эффективных катализаторов для самых разных применений.. Это может привести к ценному прогрессу с точки зрения эффективности и энергосбережения, особенно для производства водорода с помощью электролиза, например, непосредственно на морских ветряных электростанциях.
«В то же время существует беспрецедентная возможность выборочно собирать элементы для всемогущего катализатора», - пишут Цай и его коллеги. Такой материал был бы настоящим универсалом среди катализаторов и мог бы использоваться для нескольких целей одновременно.