Erste demonstrierte Anwendung
Ein zweidimensionales Legierungsmaterial – hergestellt aus fünf Metallen im Gegensatz zu den traditionellen zwei – wurde von einer Zusammenarbeit zwischen Forschern an der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis und dem College of Engineering an der University of Illinois in Chicago entwickelt. Als erstes Material dieser Art hat es sich als hervorragender Katalysator für die Reduktion von CO2 zu CO erwiesen, was potenzielle Anwendungen in der Umweltsanierung ermöglicht, schreibt Brandie Jefferson am 28.06.2021 auf der Internetseite der Washington University St. Louis.
Die Forschungsergebnisse aus dem Labor von Rohan Mishra, Assistenzprofessor am Department of Mechanical Engineering & Materials Science der Washington University, wurden am 26.06.2021 in Advanced Materials veröffentlicht. „Wir untersuchen die Umwandlung von Kohlendioxid, das ein Treibhausgas ist, in Kohlenmonoxid“, sagte Mishra. „Kohlenmonoxid kann mit Wasserstoff kombiniert werden, um Methanol herzustellen. Es könnte ein Weg sein, CO2 aus der Luft zu nehmen und es wieder in einen Kohlenwasserstoff umzuwandeln.“
Die Grundlage dieser Innovation ist eine Klasse von Materialien, die als Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs) bekannt sind – sie enthalten Übergangsmetalle und ein Chalcogen, zu dem Schwefel, Selen und Tellur gehören. Wenn eine Legierung mehr als drei Metalle in nahezu gleichen Verhältnissen enthält, spricht man von einer „hohen Entropie“. Daher auch der wortreiche Name des in Mishras Labor entwickelten Materials: Hochentropie-Übergangsmetall-Dichalcogenide.
TMDCs sind nicht neu. Es gab bereits Interesse an ähnlichen zweidimensionalen Formen dieser Materialien aufgrund ihrer einzigartigen optischen und elektronischen Eigenschaften, so Mishra. Aber er hatte einen Verdacht, dass sie für etwas anderes verwendet werden könnten.
„Wir haben uns auch mit diesen Materialien beschäftigt, aber ihr Potenzial für die Elektrokatalyse erforscht“, die als Katalysator fungiert, um chemische Reaktionen zu erleichtern. Da sie effektiv zweidimensional sind (etwa drei Atome dick), eignen sie sich als effiziente Katalysatoren; Reaktionen finden an der Oberfläche eines Materials statt, und ein zweidimensionales Material hat eine große Oberfläche, aber nicht viel mehr. In einer früheren Studie, die ebenfalls in Advanced Materials (2020) veröffentlicht wurde, hatte die Gruppe gezeigt, dass zweimetallische TMDC-Legierungen eine verbesserte katalytische Aktivität gegenüber einzelnen TMDCs aufweisen. „Das führte uns zu der Frage, ob das Hinzufügen weiterer Metalle zu diesen Legierungen noch bessere Katalysatoren ergeben kann.“ sagte Mishra.
Mit 10 anwendbaren Übergangsmetallen und drei Chalkogenen gibt es 135 Zwei-Metall- und 756 Fünf-Metall- mögliche TMDC-Legierungen. Doch wie bei Öl und Wasser werden sich nicht alle Kombinationen zu einer homogenen Legierung vermischen. „Ohne Anleitung durch Berechnungen wird die experimentelle Bestimmung, welche Elementkombinationen eine Legierung ergeben, zu einem Versuch-und-Irrtum-Prozess, der zudem zeitaufwändig und teuer ist“, erklärt Mishra.
John Cavin, Doktorand am Department of Physics der Washington University in Arts & Sciences, hatte in einer früheren Arbeit gezeigt, welche zwei Übergangsmetalle bei welchen Temperaturen kombiniert werden können, um binäre TMDCs-Legierungen zu bilden. „Die Frage war: ‚Können wir überhaupt eine TMDC-Legierung synthetisieren, die so viele Komponenten hat?'“ sagte Cavin. „Und werden sie die Reduktion von CO2 zu CO verbessern?“ Um das herauszufinden, verwendete er quantenmechanische Berechnungen, um vorherzusagen, welche Kombinationen die Fähigkeit des Materials, CO2 zu katalysieren, am ehesten verbessern würden. Dann musste er weiter gehen, um zu bestimmen, ob das Material stabil sein würde, aber er hatte keine Werkzeuge, um dies zu tun. Also entwickelte er selbst eines.
„Ich musste ein thermodynamisches Modell entwickeln, um aus den quantenmechanischen Berechnungen stabile, hochentropische TMDC-Legierungen vorherzusagen“, so Cavin. Diese Berechnungen wurden mit Hilfe beträchtlicher Supercomputing-Ressourcen durchgeführt, die vom Extreme Science and Engineering Discovery Environment-Netzwerk zur Verfügung gestellt wurden, das von der National Science Foundation unterstützt wird. Nach jahrelanger Entwicklung wurde die resultierende Analyse an experimentelle Mitarbeiter an der University of Illinois at Chicago geschickt.
„An der UIC konnten sie die Materialien synthetisieren, von denen wir vorhersagten, dass sie eine hochentropische TMDC-Legierung bilden würden“, sagte Mishra. „Außerdem zeigte eines von ihnen eine außergewöhnliche Aktivität.“ Sie könnten auch andere Verwendungen haben. Die UIC hat drei der vier verschiedenen TMDC-Legierungen synthetisiert und wird sie weiter analysieren. „Das sind neue Materialien, sie sind noch nie zuvor synthetisiert worden“, sagte Mishra. „Sie könnten unvorhergesehene Eigenschaften haben.“
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