Tobias Löffler、Alan Savan、Alfred Ludwig和Wolfgang Schuhmann(从左起)在实验室

工业生产一直使用传统的铂合金作为氧还原催化剂。例如，铂合金在燃料电池或金属空气电池中必不可少。昂贵而稀有的金属对生产的扩大很很大的限制。Ruhr-Universität Bochum(RUB)和Max-Planck-Institut的研究人员Für Eisenforschung发现了一种由五种元素组成的金属。此种合金不含有贵金属但却具有跟铂相同的催化活性。他们在2018年10月21日的《高级能源材料》“Advanced Energy Materials”杂志上发表了论文。

相邻元素作用构成催化中心

非贵元素及其合金的催化性能通常很差。让研究人员惊讶的是，一种由五个几乎相等平衡的成分组成的合金能提供更好的性能。这是因为所谓的高熵效应。它使多晶合金保持简单的晶体结构。

“通过不同相邻元素的相互作用，形成了新的活性中心，这些新的活性中心呈现出全新的性质，因此不再局限于单个元素的有限属性，”RUB分析化学讲座教授Tobias Löffler解释说，他是Wolfgang Schuhmann教授领导的电化学科学中心的博士生。“我们的研究已经证明，这种合金可能与催化有关。”

纳米合金库的构建

为寻找替代铂的方法，Alfred Ludwig教授领导的RUB微观技术材料主席的研究人员采用了一种特殊的方法来生成由五个源元素组成的合金纳米颗粒文库。它们的原子在等离子体中混合，在离子液体的衬底上形成纳米粒子。液体被放置在载体上的小空腔里。如果纳米粒子位于各自的原子源附近，则来自该源的原子在各自的粒子中所占的百分比更高。所有五个要素的数量大致相等。“这一组合过程使我们能够精确控制材料库中任何地方的合金纳米粒子的成分。” Alfred Ludwig说。

优化组合

马克斯-普朗克-研究所(Max-Planck-Institut für Eisenforschung)的研究小组，以克里斯蒂娜•朔伊教授(Christina Scheu)为首，利用透射电子显微镜分析了由此产生的纳米粒子。RUB化学家测定了它们的催化活性，并与铂纳米粒子进行了比较。

在这个过程中，他们确定了一个由五个元素组成的系统，在这个系统中，高熵效应导致氧还原的催化活性类似于铂的催化活性。通过进一步优化组成，他们成功地改进了整个活动。

电催化的深远影响

“总的来说，这些发现可能对电催化产生深远的影响，”沃尔夫冈•舒曼(Wolfgang Schuhmann)推测。研究人员希望通过利用元素的几乎无穷多个可能的组合和对其组成的修改来使这些特性适应任何所需的反应。“因此，应用不一定局限于氧气的还原。”路德维希说。这个研究小组已经申请了一项专利。

然而，由于这些元素之间的相互作用还没有被完全理解，研究人员还不能开发出任何特定的催化剂。研究人员指出：“本研究项目为深入了解这一过程奠定了基础，并将由多元素组成的高熵合金作为一种新的催化剂类别引入了高熵合金的研究。”