Se demostró por primera vez el uso de una aleación multimetálica 2D – ScienceDaily

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Un material de aleación bidimensional, compuesto de cinco metales frente a dos tradicionales, fue desarrollado por una colaboración entre investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis e investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois en Chicago.

Y, por primera vez para un material de este tipo, se ha demostrado que actúa como un excelente catalizador para reducir el CO2, en CO, con aplicaciones potenciales en remediación ambiental.

La investigación, del laboratorio de Rohan Mishra, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales de la Universidad de Washington, fue publicada el sábado 26 de junio en la revista. Material avanzado.

“Estamos tratando de convertir el dióxido de carbono, que es un gas de efecto invernadero, en monóxido de carbono”, dijo Mishra. “El monóxido de carbono se puede combinar con hidrógeno para producir metanol. Podría ser una forma de absorber CO2 del aire y reciclarlo de nuevo en un hidrocarburo “.

La base de esta innovación es una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), que incluyen metales de transición y un calcógeno, que incluye azufre, selenio y telurio. Cuando una aleación contiene más de tres metales en proporciones casi iguales, se dice que tiene “alta entropía”. De ahí el nombre detallado del material desarrollado en el laboratorio de Mishra: dicalcogenuros de metales de transición de alta entropía.

Los TMDC no son nuevos. Ha habido interés en formas bidimensionales similares de estos materiales debido a sus propiedades ópticas y electrónicas únicas, dijo Mishra. Pero sospechaba que podrían usarse para otra cosa.

“También analizamos estos, pero exploramos su potencial para la electrocatálisis”, actuando como un catalizador para facilitar las reacciones químicas. Dado que son efectivamente bidimensionales (alrededor de tres átomos de espesor), constituyen catalizadores eficientes; las reacciones ocurren en la superficie de un material y un material bidimensional tiene mucha superficie y poco más. En un estudio anterior, también publicado en la revista Advanced Materials en 2020, el grupo había demostrado que las aleaciones TMDC de dos metales exhibían una mejor actividad catalítica que los TMDC individuales. “Esto nos llevó a la pregunta, ¿se pueden agregar más metales a estas aleaciones crear 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 mezclarán para formar una aleación homogénea.

“Sin la guía de los cálculos, determinar experimentalmente qué combinaciones de elementos producirán una aleación se convierte en un proceso de prueba y error que también requiere tiempo y dinero”, explicó Mishra.

El alquimista en este caso fue John Cavin, un estudiante graduado en el Departamento de Artes y Ciencias de Física de la Universidad de Washington.

En trabajos anteriores, Cavin había demostrado qué dos metales de transición se pueden combinar y a qué temperaturas para formar aleaciones binarias de TMDC.

“La pregunta era, ‘¿Podríamos incluso sintetizar una aleación TMDC con tantos componentes?'”, Dijo Cavin. “Y mejorarán la reducción de CO2 ¿En co? “

Para averiguarlo, utilizó cálculos de la mecánica cuántica para predecir qué combinaciones tenían más probabilidades de mejorar la capacidad del material para catalizar el CO.2. Así que tuvo que ir más allá para determinar si el material sería estable, pero no tenía herramientas para hacerlo. Entonces, él mismo desarrolló uno.

“Tuve que desarrollar un modelo termodinámico para predecir aleaciones de TMDC de alta entropía estables a partir de cálculos de mecánica cuántica”, dijo Cavin. Estos cálculos se realizaron 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.

Después de años de desarrollo, el análisis resultante se envió a colaboradores experimentales de la Universidad de Illinois en Chicago.

“En UIC, podrían 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 ha sintetizado tres de las cuatro aleaciones TMDC diferentes y continuará analizándolas.

“Estos son materiales nuevos, nunca antes se habían sintetizado”, dijo Mishra. “Podrían tener propiedades inesperadas”.

El trabajo proviene de una subvención DMREF de la National Science Foundation en el marco de la Iniciativa del genoma de materiales lanzada por el presidente Barack Obama en 2011 como una iniciativa de múltiples agencias para crear políticas, recursos e infraestructura que apoyen a las instituciones estadounidenses para descubrir, producir y distribuir materiales avanzados. eficiente y económicamente.

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