Forschende synthetisieren einheitliche Nanokristalle aus fünf verschiedenen Metallen

Kristallbildung: Nanokristalle weisen ein hohes Verhältnis äche zu Volumen auf und wirken als effiziente Katalysatoren, um chemische Reaktionen in Anwendungen zu beschleunigen, die hin zu medizinischen Diagnosetests reichen. Darüber hinaus sind diese Partikel wesentliche Bestandteile moderner Elektronik, da sie Transistoren und Hochauflösungsdarstellungen in Smartphones und Computern antreiben.

In dieser neuen Arbeit hat das Team Zusammenarbeit mit KAIST und BASF die konventionelle Chemie herausgefordert, indem es hochuniforme Nanokristalle aus fünf unterschiedlichen Metallen synthetisiert hat. Die Forschung offenbart ein „selbstorganisierendes" Phänomen: Eine Erhöhung der Komplexität der metallischen Mischung führt zu konsistenteren und stabileren Partikeln statt zu chaotischen Strukturen.

Die Entwicklung begann mit Ruthenium, einem Edelmetall mit hoher Aktivität, als Grundlage ihrer Studie. Die Forscher versuchten, dieses mit vier kostengünstigeren und häufiger vorkommenden Metallen zu mischen: Eisen, Kobalt, Nickel und Kupfer.

Zunächst wurde erwartet, dass diese komplexe

Zunächst wurde erwartet, dass diese komplexe Mischung aufgrund der unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten jedes Metalls zu einem chaotischen „Gemisch" aus inkonsistenten Partikeln führen würde. Überraschenderweise trieb diese Komplexität jedoch die Konsistenz voran.

Während Mischungen aus zwei oder drei Metallen unordentlich und instabil waren, organisierte sich die Kombination aus fünf Metallen paradoxerweise selbstständig zu einem einzigen, einheitlichen Produkt und reduzierte die 31 möglichen chemischen Ergebnisse auf ein einziges, präzises Nanokristall. „Die überraschende Entdeckung ist, dass man, wenn man mehr Elemente hinzufügt, bis hin zu fünf, das genaue Gegenteil dessen sieht, was wir erwartet haben", sagte Cargnello. „Alle fünf Elemente gemeinsam in einem einzigen Nanokristall endeten so, als wären sie ein einziges Produkt." Rolle des Kupfers Der Schlüssel zu dieser Ordnung war überraschenderweise eine Weigerung zur Zusammenarbeit.

Durch Zeitrafferanalysen identifizierten die Forscher Kupfer als den wesentlichen Architekten des Selbstorganisationsprozesses. Kupfer, das eifrigste Metall in der Mischung, weigert sich, sich mit Ruthenium zu vermischen. Wie Öl und Wasser bleiben sie getrennt, aber verbunden. Dies schafft einen physischen Gerüst – eine chemische Einladung – für die anderen Metalle, in einer spezifischen Reihenfolge hinzuzukommen.

Kobalt und Nickel daraufhin, gefolgt schließlich,

Kobalt und Nickel daraufhin, gefolgt schließlich, das die gesamte Struktur in einer zwiebelartigen Anordnung mit einer schützenden Hülle umgibt. „Das Ergebnis ist eine zwiebelartige Struktur mit Ruthenium im Kern, Kupfer daneben eingebettet, Kobalt und Nickel bilden Zwischenschichten und eine äußere eisenreiche Schicht", so die Pressemitteilung.

Einsatz im WasserstofftransportDie fünf-Metall-Nanokristalle haben sich als wirksam erwiesen, um die Ammoniakzerlegung zu beschleunigen, ein Prozess, der für die Wasserstoffwirtschaft Wasserstoff als Gas schwer zu transportieren ist, wird er häufig in flüssiges Ammoniak umgewandelt, um ihn zu versenden, und am Bestimmungsort dann wieder in Kraftstoff „cracked".

Obwohl diese chemische Umkehrung in der Regel extreme Temperaturen erfordert, bieten die neuen Multimetall-Katalysatoren eine praktikable Lösung, um die Reaktion unter solchen anspruchsvollen industriellen Bedingungen ablaufen zu lassen. In Leistungsversuchen erreichte der Fünf-Metall-Nanokristall-Katalysator eine Reaktionsgeschwindigkeit, die viermal höher war als die, und zeigte außergewöhnliche thermische Stabilität.

Im Vergleich zu Standardkatalysatoren, die bei

Im Vergleich zu Standardkatalysatoren, die bei hohen Temperaturen durch Sintern zerfallen oder verklumpen, blieben diese Multimetall-Partikel auch nach bei 900 °C wirksam. BASF führt diese Kristalle derzeit unter industriellen Bedingungen durch intensive Tests.

Wenn sich die Ergebnisse bestätigen, könnte die komplexe Wissenschaft des Mischens von fünf Metallen gerade die saubere Lösung sein, auf die das weltweite Energienetzwerk gewartet hat. Die Studie wurde am 7. Mai in der Zeitschrift Science veröffentlicht.