Material ini merupakan oksida logam kompleks dengan struktur kristal dan komposisi kimia yang unik: Ca₀.₂Gd₀.₂La₀.₂Pr₀.₂Sr₀.₂Mn₀.₆Al₀.₄O₃. Material ini disebut perovskit entropi tinggi, dengan lima unsur—kalsium, stronsium, gadolinium, lantanum, dan praseodimium—terdistribusi secara merata pada satu sisi kisi. Dua unsur lainnya, mangan dan aluminium, memberikan reaktivitas kimia dan kekuatan struktural. Kombinasi ini memastikan material ini tahan terhadap panas berlebih dan kerusakan, bahkan pada suhu ekstrem di atas 1.300°C.
Fitur terpenting oksida baru ini adalah kemampuannya untuk berpartisipasi berulang kali dalam siklus termokimia, di mana energi termal diubah menjadi energi kimia. Siklus ini terdiri dari dua tahap. Pertama, material dipanaskan hingga 1.350°C dalam atmosfer argon, yang mengakibatkan hilangnya sebagian oksigennya, atau terlepas. Setelah didinginkan hingga 1.000°C, uap air atau karbon dioksida dilepaskan ke atmosfer. Selama reduksi, oksida melepaskan oksigen dari molekul-molekul ini dan melepaskan hidrogen atau karbon monoksida. Beginilah cara panas suhu tinggi langsung diubah menjadi bahan bakar.
Meskipun perovskit telah lama dianggap sebagai katalis yang menjanjikan untuk proses-proses ini, prototipe sebelumnya terdegradasi dengan cepat dan membutuhkan suhu yang sangat tinggi. Material baru ini telah menunjukkan stabilitas dan efisiensi yang luar biasa. Selama pengujian, material ini bertahan dalam sepuluh siklus penuh tanpa kehilangan aktivitas dan menghasilkan rendemen rata-rata 320 mikromol hidrogen per gram material, yang satu setengah hingga dua kali lebih tinggi daripada analog industri terbaik dan enam kali lebih tinggi daripada cerium oksida yang digunakan sebelumnya. Dengan penggunaan CO₂, rendemen karbon monoksida mencapai 420 mikromol per gram, tiga kali lebih tinggi daripada material berkinerja terbaik sebelumnya.
Bahkan dengan konsentrasi uap air yang dikurangi hingga 5%, katalis tetap stabil dan produktivitasnya tinggi. Reaksinya cepat: siklus reduksi dan oksidasi penuh memakan waktu kurang dari setengah jam.
Rahasia stabilitas ini terletak pada struktur materialnya. Entropi tinggi, atau banyaknya kemungkinan kombinasi atom yang sama, membuat kisi tersebut stabil secara termodinamika. Kisi tersebut tidak mengalami sintering, delaminasi, atau kehilangan bentuk meskipun mengalami siklus pemanasan dan pendinginan berulang. Sementara itu, struktur mikroporinya memastikan pertukaran gas yang cepat dan mempercepat reaksi.
Solusi ini membuka jalan bagi sistem termokimia surya jenis baru yang mampu menghasilkan hidrogen dan karbon monoksida langsung dari air dan CO₂ hanya dengan menggunakan panas terkonsentrasi. Lebih lanjut, semua unsur penyusun oksida tersebar luas dan melimpah, sehingga memungkinkan produksi katalis ini dalam skala besar.
