• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik23. 08. 2022 | Heidi Thode

Høj-entropi-legeringer til katalyse

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik23. 08. 2022 By Heidi Thode

Katalyse på høj-entropi-legeringer er et helt nyt felt inden for katalyse og materialevidenskab.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2022 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af Jan Rossmeisl, Center for High Entropy Alloy Catalysis (CHEAC), Kemisk Institut, Københavns Universitet

Der er de seneste år opstået et helt nyt felt inden for katalyse og materialevidenskab, der vedrører høj-entropi-legeringer til katalyse. I 2020 startede grundforskningscenteret CHEAC på Kemisk Institut ved Københavns Universitet med lektor Kirsten M.Ø. Jensen, lektor Maria Escudero Escribano, professor Matthias Arenz samt professor og centerleder Jan Rossmeisl. Denne artikel giver et indblik i dette nye forskningsområde.
Den grønne omstilling kræver, at vi finder nye måder at lave kemikalier og brændsler på, og den centrale del af Power-to-X og energikonvertering er elektrolyse. Der mangler nye og bedre katalysatorer, især elektrokatalysatorer, til mange af de vigtige reaktioner. De fleste reaktioner, ved sure betingelser, beror på katalysatorer af ædle og sjældne metaller, for eksempel platin og iridium til elektrolyse i syre. For at disse Power-to-X reaktioner skal blive betydelige på en global skala, skal elektrokatalysatorerne være 10-50 gange bedre end i dag, således man kan opnå det samme udbytte, men med kun 2-10 procent af den mængde ædelmetal, der anvendes i dag.
At opdage nye katalysatormaterialer er derfor en del af udfordringen med at omstille til bæredygtig kemisk produktion.
De fleste legeringer, vi bruger i dag, består primært af et par metaller måske sat sammen med andre grundstoffer. Bronze, messing og rustfrit stål er eksempler. Indtil nu har man kun i mindre grad blandet lige meget af mange forskellige elementer sammen og udforsket mulighederne i det. Her er høj-entropi-legeringer en ny og lovende klasse af materialer.

Komposition og fremstilling af høj-entropi-legeringer
Høj-entropi-legeringer fik deres navn i 2004, og de er blandinger af fire-fem eller flere metaller i stort set lige mængder. Legeringens krystalstruktur kan være veldefineret, men de forskellige elementer er fuldstændigt tilfældigt blandede. Ikke alle blandinger kan danne høj-entropi-legeringer. Typisk opnår man nemmest en høj-entropi-legering, hvis elementerne ikke er for forskellige, hvad angår størrelse og valens [1]. Legeringerne kan laves på forskellige måder. Én måde er først at smelte metallerne og så afkøle blandingen tilpas hurtigt, så krystalstrukturen dannes, uden at metal-atomerne bytter plads og finder deres mest optimale naboer. På denne måde fryses uordenen ind i materialet. De seneste år har flere forsøg vist, at legeringerne også kan laves som nanopartikler og ved stuetemperatur. Det betyder, at navnet høj-entropi faktisk ikke er helt retvisende – det er ikke på grund af entropien, at de er stabile ved lave temperaturer. Nogen kalder dem derfor komplekse-faste-opløsninger, hvilket måske er et mere korrekt, men også et noget mere kedeligt navn.

Et paradigmeskift synes at være på vej
Med høj-entropi-legeringer åbner der sig et kæmpe rum af nye uudforskede materialer. Der er ikke bare mange tusinde kombinationer af elementer, men givet én kombination er der et kompositionsrum, hvor man ved at ændre mængden af de forskellige elementer på en blød og sammenhængende måde kan variere egenskaberne af materialet (figur 1). Man har med én kombination altså et kontinuert rum af materialer. Vi tænker for det meste på valg af materialer som noget diskret, enten bruger man det ene eller det andet, men med høj-entropi-legeringer har man et helt rum, hvor man kan komme fra det ene til det andet materiale ved at ændre sammensætningen. Denne egenskab har fået nogen til at foreslå, at høj-entropi-legeringer kan være et paradigmeskift fra at ”bruge de materialer vi har” til at ”designe de materialer vi har brug for” [2]. Som tidligere nævnt er det en lovende klasse af materialer og det betyder også, at de fleste håbefulde anvendelser ligger i fremtiden. Indtil videre har man kun i meget begrænset grad benyttet sig af, at man kan designe og optimere egenskaberne, og det er netop det, vi arbejder på.
I Center for High Entropy Alloy Catalysis undersøger vi, om høj-entropi-legeringer kunne være mulige katalysatorer til elektrokatalyse. Det er der en god grund til: En god katalysator skal binde reaktions-intermediaterne med en bindingsenergi så tæt som muligt på en optimal værdi. Det betyder, at det kan være en fordel at kunne justere egenskaberne. Men det gør det også muligt at opdage materialer på en ny måde. Overfladen af en høj-entropi-legering har mange forskellige lokale atomare kompositioner, der hver især vil have lidt forskellig bindingsenergi. På en almindelig ensartet overflade har man en eller nogle få forskellige bindingsenergier, men på en høj-entropi-legering har man en fordeling af energier, og nogle af de lokale atomare kompositioner er måske optimale for katalysen. Hvis man kender de bedste lokale kompositioner, kan man optimere sandsynligheden for, at de tilfældigt vil opstå på overfladen ved at kontrollere kompositionen for hele materialet [3]. For eksempel hvis man finder, at palladium-atomer med et sølv-atom ved siden af er nær perfekte til iltreduktion, så opnår man den højeste aktivitet ved at blande lidt sølv i palladium. Det er godt nok ikke en høj-entropi-legering, når der kun er to elementer i materialet, men man kan finde dette materiale, selvom man startede med flere elementer. Det vil sige, at høj-entropi-legeringer også giver en strategi for at opdage lovende materialer, om de så ender med at indeholde to, tre eller flere elementer. Palladium er desværre lige så sjældent, som det platin det kunne erstatte, men det viser princippet. Platin-gruppe-metallerne og deres naboer er rigtig gode til at danne høj-entropi-legeringer, og nogle kan sågar findes naturligt i platin-årer.

Machine-learning som redskab
Det store antal mulige legeringer gør det umuligt at afsøge dem alle eksperimentelt, men man kan afsøge dele af materialerummet. Man kan lave et par eksperimenter og benytte machine-learning til at foreslå det næste eksperiment, der af algoritmen regnes for at være en lovende komposition eller et sted i rummet, hvor der mangler data. På den måde kan man, med relativt få eksperimenter, få en god idé om, hvor de interessante kompositioner er [5]. Det er en metode til at generere det mest brugbare data med så få eksperimenter som muligt og algoritmen hjælper med at interpolere mellem datapunkterne.
Egentlig er katalytisk aktivitet en sum over aktiviteterne af alle de mange forskellige lokale atomare overfladearrangementer, dvs. et resultat af en masse lokale aktiviteter. Eksperimenterne måler et slags gennemsnit over mange atomare arrangementer. Det betyder, at man, baseret på eksperimenter og kompositioner, ikke vil kunne forudsige aktiviteter af kompositioner, der er lidt anderledes end dem, der er testet. For at lave forudsigelser skal vi derfor bruge information om alle de lokale atomare arrangementer, når nu det er aktivitetens natur (figur 2). Kvantemekaniske beregninger af bindingsenergier af tusindvis af forskellige atomare arrangementer kan bruges til at beregne fordelingerne af bindingsenergier for overfladerne. I princippet er det den information, en model behøver for at lave forudsigelser. Der findes for nogle reaktioner en teori for, hvordan man kommer fra bindingsenergi til katalytisk aktivitet og det betyder, at man kan sammenligne tendenser mellem simuleringer/teori og eksperiment.

Perspektiverne
I CHEAC kombinerer vi eksperimenter med teori og kvantemekaniske simuleringer for at forstå, hvordan de kemiske, katalytiske overfladereaktioner forløber, og hvordan de kan påvirkes af den atomare struktur. Så ét perspektiv er en meget dybere forståelse af katalyse baseret på kombinationen af data fra eksperiment og data fra simulering. Et andet perspektiv er nye katalysatormaterialer. Det kan blive svært at finde billige alternativer til ædelmetaller, men ved at optimere aktiviteten kan man bruge mindre af ædelmetallerne, hvilket kan bringe flere teknologier i spil til den grønne omstilling. Måske bliver høj-entropi-legeringer virkelig et paradigmeskift fra at bruge de materialer, vi har til at designe de materialer, vi har brug for.

E-mail:
Jan Rossmeisl: Jan.Rossmeisl@chem.ku.dk

Referencer
1. High-entropy alloys by B.S. Murty J.W Yeh, S. Ranganathan, Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier, 2014.
2. Manufacturing High Entropy Alloys, Pathway to Industrial Competitiveness, Mforesight 2018.
3. High-entropy alloys as a discovery platform for electrocatalysis. T.A.A. Batchelor, J.K. Pedersen, S.H. Winther, I.E. Castelli, K.W. Jacobsen, J. Rossmeisl Joule 3 (3), 834-84, 2019.
4. Complex-Solid-Solution Electrocatalyst Discovery by Computational Prediction and High-Throughput Experimentation. T.A.A. Batchelor, T. Löffler, B. Xiao, O.A. Krysiak, V. Strotkötter, J.K. Pedersen, …Angewandte Chemie International Edition 60 (13), 6932-693 2021.
5. Bayesian Optimization of High-Entropy Alloy Compositions for Electrocatalytic Oxygen Reduction. J.K. Pedersen, C.M. Clausen, O.A. Krysiak, B. Xiao, T.A.A. Batchelor, T. Löffler, …Angewandte Chemie 133 (45), 24346-24354, 2021.

Skrevet i: Artikler fra Dansk Kemi, Kemiteknik

Seneste nyt fra redaktionen

Strontium understøtter tandemaljens robusthed – men hvordan?

Artikler fra Dansk KemiMedicinalkemiTop04. 03. 2026

Fluorid styrker tænders emalje ved at erstatte hydroxid i hydroxyapatit og sænke opløseligheden. Strontium styrker også tænders emalje, selv om strontium-analogen til Ca5(OH)(PO4)3 er mere opløselig. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer

Hvad sker der på spildevandsanlægget, når ”det pisser ned”?

AktueltAnalytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi25. 02. 2026

Hvordan moderne kemiske analysemetoder hjælper os til at forstå dynamikken af mikroforureninger i spildevandet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Kristoffer Kilpinen1, Selina

ISO 13391 og ISO 25078

Artikler fra Dansk KemiGrøn omstilling18. 02. 2026

– beregning af skovens klimaeffekter En ny international ISO-standard for beregning af skovens klimaeffekter giver emnet fornyet aktualitet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af

Ti, Mo, Cs, Pr, Nd – hvad har disse fem til fælles?

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi18. 02. 2026

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Kemisk Forenings Nomenklaturudvalg (KFNU) i dets nuværende inkarnation daterer sig fra 1940. Udvalgets første større bedrift var i 1952 at nedkomme med

CleanCloud målekampagne i Nordøstgrønland

Artikler fra Dansk KemiKlima og miljø18. 02. 2026

CleanCloud er et EU-finansieret forskningsprojekt, hvor der blandt andet er udført to målekampagner på Villum Research Station (VRS) på Station Nord i Nordgrønland, med det formål at undersøge, hvordan partikler og skyer interagerer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses

Supporting chemical thermodynamics:

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik18. 02. 2026

The role of infrared spectroscopy The use of molecular vibrations to probe structure in hydrogen bonding liquids. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) By Evangelos Drougkas, Georgios

To naturfagslærere fra slutningen af 1800-tallet

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi18. 02. 2026

Naturvidenskab kom ind i latinskolen – den lærde skole – i midten af 1800-tallet. Hvad var det for lærere, der underviste i naturvidenskab i den lærde skole og realskolen? Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Svampe giver køerne kamp til stregen, når det kommer til produktion af mælkeprotein

Artikler fra Dansk KemiBioteknologi18. 02. 2026

Vores fødevareproduktion er alt for klimabelastende, og én af løsningerne findes i mælkeprotein produceret af svampe med en teknologi, der kaldes præcisionsfermentering. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Konsekvenserne af kunstig iltning af søer

Artikler fra Dansk KemiKlima og miljø18. 02. 2026

- effektvurdering på Danmarks længst iltede søer: Hald Sø og Furesø. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Sofie Kamlarczyk1, Henrik Skovgaard2, Julia Groth1, Theis Kragh1 og Kasper

Per- og polyfluorerede alkylstoffer (PFAS)

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø18. 02. 2026

– et problem i hele Kongeriget Danmark Seneste års monitering viser, at miljøet og mennesker i Danmark, Færøerne og Grønland kan være kritisk belastet af per- og polyfluorerede alkylstoffer (de såkaldte PFAS). I Danmark har brugen af PFAS – i særligt industrien, landbruget og brandøvelser – været

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Holm & Halby

    Holm & Halby indstillet til Årets Virksomhed i Brøndby 2025

  • Holm & Halby

    DIREKTE ColdStorage sætter fokus på kulden bag forskningen

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Certificeret service: Vi kompetence-udvider hos Mikrolab – Frisenette

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Øget effektivitet med skræddersyede løsninger

  • DENIOS ApS

    Find det perfekte opsamlingskar på et øjeblik

  • MD Scientific

    PuriFlash oprensningssystem

  • Holm & Halby

    WorkShop: Fryserrobotter

  • DENIOS ApS

    Lithiumbatterier: Sådan sikrer du din virksomhed

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Energiomkostninger reduceret med 50% via et centraliseret vakuumsystem

  • Kem-En-Tec Nordic

    Nyt produkt – Streptavidin

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Strontium understøtter tandemaljens robusthed – men hvordan?

    04.03.2026

  • Hvad sker der på spildevandsanlægget, når ”det pisser ned”?

    25.02.2026

  • ISO 13391 og ISO 25078

    18.02.2026

  • Ti, Mo, Cs, Pr, Nd – hvad har disse fem til fælles?

    18.02.2026

  • CleanCloud målekampagne i Nordøstgrønland

    18.02.2026

  • Supporting chemical thermodynamics:

    18.02.2026

  • To naturfagslærere fra slutningen af 1800-tallet

    18.02.2026

  • Svampe giver køerne kamp til stregen, når det kommer til produktion af mælkeprotein

    18.02.2026

  • Konsekvenserne af kunstig iltning af søer

    18.02.2026

  • Per- og polyfluorerede alkylstoffer (PFAS)

    18.02.2026

  • Grønlandske miner og metaller  

    10.02.2026

  • 2026-udgaven af Torkil Holm Prisen måtte deles af to markante forskningsprofiler

    03.02.2026

  • Italienskfødt, dansk-bosat forsker modtager årslegat for at sætte molekyler på menuen

    27.01.2026

  • To år med enhedspatentet og Enhedspatentdomstolen

    26.01.2026

  • Materialer til konstruktion af små modulære atomreaktorer med smeltet fluorid-salt

    20.01.2026

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik