A indústria usa ligas de platina como catalisadores para redução de oxigênio, essencial em células de combustível e baterias de metal-ar, entre outras aplicações. Caro e raro, esse metal impõe restrições rígidas à fabricação. Pesquisadores da Ruhr-Universität Bochum (RUB) e Max-Planck-Institut für Eisenforschung descobriram uma liga de cinco elementos que não contém metais nobres e é tão ativa quanto a platina. Suas descobertas são publicadas no jornal Materiais de energia avançados .

As propriedades catalíticas de elementos não nobres e suas ligas são geralmente fracas. Para surpresa dos pesquisadores, uma liga composta de cinco componentes quase igualmente balanceados oferece propriedades muito melhores. Isso se deve ao chamado efeito de alta entropia:faz com que as ligas multinárias mantenham uma estrutura cristalina simples.

“Através da interação de diferentes elementos vizinhos, novos centros ativos são formados que apresentam propriedades inteiramente novas e, portanto, não estão mais vinculados às propriedades limitadas dos elementos individuais, "explica Tobias Löffler, Ph.D. aluno da cadeira RUB de Química Analítica - Centro de Ciências Eletroquímicas dirigido pelo Professor Wolfgang Schuhmann. "Nossa pesquisa demonstrou que esta liga pode ser relevante para a catálise."

Gerando bibliotecas de nanopartículas de liga

Procurando uma alternativa para a platina, pesquisadores da cadeira RUB de materiais para microtecnologia chefiada pelo professor Alfred Ludwig implantaram um método especial para gerar uma biblioteca de nanopartículas de liga de cinco elementos de origem. Seus átomos se misturam ao plasma e formam nanopartículas em um substrato de líquido iônico. O líquido é colocado em pequenas cavidades em um portador.

Se as nanopartículas estiverem localizadas nas proximidades da respectiva fonte de átomo, a porcentagem de átomos daquela fonte é maior na respectiva partícula. No centro da transportadora, todos os cinco elementos estão presentes em quantidades mais ou menos iguais. "Este processo combinatório nos permite controlar com precisão a composição das nanopartículas de liga em qualquer lugar da biblioteca de materiais, "diz Alfred Ludwig.

Composição otimizada

Liderado pela Professora Christina Scheu, a equipe de pesquisa do Max-Planck-Institut für Eisenforschung analisou as nanopartículas usando microscopia eletrônica de transmissão. Os químicos do RUB determinaram sua atividade catalítica e a compararam com a das nanopartículas de platina. No processo, eles identificaram um sistema composto por cinco elementos em que o efeito de alta entropia resulta em atividade catalítica para uma redução de oxigênio semelhante à da platina. Ao otimizar ainda mais a composição, eles melhoraram com sucesso a atividade geral.

"Essas descobertas podem ter consequências de longo alcance para a eletrocatálise em geral, "diz Wolfgang Schuhmann. Os pesquisadores esperam adaptar as propriedades para quaisquer reações necessárias, aproveitando o número quase infinito de combinações possíveis dos elementos e modificações de sua composição." a aplicação não será necessariamente limitada à redução de oxigênio, "diz Ludwig. A equipe de pesquisa já fez o pedido de patente.

Contudo, como a interação dos elementos não é totalmente compreendida, os pesquisadores não podem desenvolver nenhum catalisador específico ainda. "Este projeto de pesquisa estabelece a base para estudos futuros para obter uma melhor compreensão do processo, e apresenta ligas de alta entropia compostas de vários elementos como uma nova categoria de catalisador, "diz Ludwig.