Designtilgang udviklet til nye katalysatorer til energikonvertering og -lagring

Forskere fra Northwestern University har opdaget en ny tilgang til at skabe vigtige nye katalysatorer til at hjælpe med omdannelse og lagring af ren energi. Designmetoden har også potentiale til at påvirke opdagelsen af ​​nye optiske og datalagringsmaterialer, katalysatorer, der påvirker farmaceutisk syntese og katalysatorer, der giver mulighed for højere effektivitet forarbejdning af olieprodukter til meget lavere omkostninger.

Forskere søger konstant nye materialer til at katalysere (accelerere) de kemiske reaktioner og processer, der kræves for at skabe en bred vifte af produkter. At identificere og skabe en katalysator er kompleks, især som det potentielle antal materialer, defineret ved sammensætning og partikelstørrelse og form, er overvældende.

I dette studie, forskere så på udfordringerne ved at forbedre overkommeligheden og katalysatoreffektiviteten i omdannelse og opbevaring af ren energi. I øjeblikket, platinbaserede (Pt) katalysatorer er de mest effektive og almindeligt anvendte til at lette en hydrogenudviklingsreaktion (HER), som er, delvis, grundlaget for, hvordan brændselsceller bruges til at generere energi. Imidlertid, da platin er sjældent og dyrt, forskere har søgt mere overkommelige og effektive alternativer.

"Vi kombinerede teori, et kraftfuldt nyt værktøj til at syntetisere nanopartikler og mere end et metalelement - i dette tilfælde, en legering bestående af platin, kobber og guld - for at skabe en katalysator, der er syv gange mere aktiv end avanceret kommerciel platin, " sagde Chad A. Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences og direktøren for International Institute for Nanotechnology i Northwestern.

Studiet, offentliggjort online i denne uge af Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), var medforfatter af Mirkin; Chris Wolverton, Jerome B. Cohen professor i materialevidenskab og teknik i Northwesterns McCormick School of Engineering; og Yijin Kang, en elektrokemiker og gæsteprofessor fra University of Electronic Science and Technology i Kina.

Specifikt, forskere brugte scanning probe blok copolymer litografi (SPBCL), sammen med density-functional theory (DFT) koder, at designe og syntetisere HER-katalysatoren. Opfundet i Mirkins laboratorium i Northwestern, SPBCL gør det muligt for forskere at kontrollere væksten og sammensætningen af ​​individuelle nanopartikler mønstret på en overflade. DFT-koderne skitserer den strukturelle, molekylers magnetiske og elektroniske egenskaber, materialer og defekter.

"Ud over at give en ny måde at katalysere HER-reaktionen på, papiret fremhæver en ny tilgang til fremstilling og opdagelse af nye partikelkatalysatorer til næsten enhver industrielt vigtig proces, " sagde Wolverton.

Dette kan omfatte at give en klar vej til nye højtemperatursuperledere; strukturer, der er nyttige til datalagring; materialer til solenergikonvertering af nanostrukturer til at flytte lys rundt på den mindste skala; og nye katalysatorer til at omdanne kemikalier af lav værdi (til overkommelige priser) til produkter af høj værdi, såsom lægemidler og farmaceutiske prækursorer.

At identificere nye materialer er afgørende for at drive den teknologiske udvikling. Det globale katalysemarked forventes at nå op på 34,3 milliarder dollars i løbet af de næste seks år, ifølge en rapport fra Grand View Research, Inc.

"For at finde de bedste materialer i klassen, der driver enhver ansøgning af interesse, vi er nødt til at identificere måder at reducere antallet af muligheder, der vil blive undersøgt, og øge hastigheden, hvormed de kan udforskes, " sagde Kang.

"Denne kombination af teori og partikelsyntese i nanoskala begynder at tage den udfordring, " sagde Mirkin, som også er professor ved McCormick.

Undersøgelsen har titlen "Catalyst design by scanning probe blok copolymer litografi."