Simpel ligning styrer skabelsen af ​​ren-energi katalysatorer

Nye retningslinjer fastsat af Nebraska og kinesiske forskere kunne styre designet af billigere, mere effektive katalysatorer rettet mod at sætte gang i produktionen af ​​brint som et vedvarende brændstof.

Nebraskas Xiao Cheng Zeng og kolleger har identificeret flere oversete faktorer, der er afgørende for ydeevnen af ​​enkeltatomkatalysatorer:individuelle atomer, sædvanligvis metallisk og forankret af omgivende molekylære rammer, der kickstarter og accelererer kemiske reaktioner.

Holdet foldede disse variable ind i en simpel ligning, der krævede, hvad Zeng beskrev som "bagside-af-kuvert-beregninger." Den ligning skulle gøre det muligt for forskere nemt at forudsige, hvordan valget af atom og dets omgivende materiale vil påvirke den katalytiske ydeevne. Til dato, forskere har ofte stolet på tidskrævende forsøg og fejl for at finde lovende enkeltatomskatalysatorer.

"Alle disse (relevante) oplysninger kan let indsamles fra en lærebog, "sagde Zeng, Kanslerens Universitet professor i kemi. "Selv før et eksperiment, du kan hurtigt se, om det er en god måde at lave katalysatoren på. Vi forenkler processen."

Ved at bruge dens ligning, holdet opdagede flere atom-ramme-kombinationer, der tilnærmer ydeevnen af ​​ædelmetalkatalysatorer - platin, guld, iridium - til blot tusindedele af prisen. Man byttede et platinatom ud med mangan; en anden erstattede iridium med kobolt.

"Der er to (primære) måder at reducere prisen på disse katalysatorer, " sagde Zeng. "Det ene er at bruge så lidt af metallerne som muligt - så enkeltatomkatalysatorer er de billigste. Den anden retning er at finde alternative metaller som jern eller aluminium eller zink, der er meget billige."

To af holdets atom-rammekombinationer kan opdele vand i dets bestanddele:et oxygenatom og to brintatomer, hvoraf sidstnævnte kan tjene som grønt brændstof til køretøjer og andre applikationer. To andre katalysatorkandidater hjælper oxygenatomer med at optage flere elektroner, får dem til at binde sig til positivt ladede hydrogenatomer og danne vand - det ønskede biprodukt af brintbrændstofceller.

"Lige nu, dette er ikke den fremherskende måde at producere brint på, "Sagde Zeng." Industrien bruger stadig fossile brændstoffer til at producere brint. Det er bare billigere. Så det er vores motivation:sænk omkostningerne, så alle disse renere, brændstofproducerende reaktioner bliver (levedygtige)."

Spejderrapport

Forskerne fandt ud af, at antallet og arten af ​​atomer, der er direkte bundet til en enkeltatomskatalysator, kan have stor indflydelse på, hvordan det katalyserer kemiske reaktioner. I nogle tilfælde, det katalyserende atom kan være knyttet til enten tre eller fire andre atomer, som hver i sig selv er en del af en fem- eller seksatomers ring. Hvert atom i det umiddelbare netværk har også en kendt tiltrækning til elektroner, med styrken af ​​denne tiltrækning, der yderligere påvirker den katalytiske ydeevne.

Arrangementet og kvaliteterne af disse naboatomer betyder noget, Zeng sagde, på samme måde som en offensiv linje betyder noget for en stationær, pocket-passer quarterback. Og holdets nye ligning kunne fungere som en spejderrapport for forskere, der ønsker at forstærke styrkerne eller dække svaghederne ved deres personale, han sagde.

For Zeng og hans kolleger, at personalet bestod af mere end 20 såkaldte overgangsmetaller, der generelt er dårligere end ædelmetaller til at katalysere reaktioner. Men teamet viste, at omkring en kobolt, jern eller andet andenstrengs atom med det rigtige miljø - nogle gange en honningkage af kulstofatomer kendt som grafen, nogle gange kan et netværk af nitrogenatomer hæve dets ydeevne.

"Hver offensiv linje er anderledes, " sagde Zeng. "Hvordan får du quarterbacken til at fungere bedst i den lomme? Hvordan finder du den bedste quarterback i forskellige lommer?

"Hvis du har en tostjernet quarterback, du har brug for en bedre offensiv linje. Men selv en backup quarterback kan præstere godt med den rigtige linje."

Zeng forfattede undersøgelsen sammen med kolleger fra Beijing University of Chemical Technology. Undersøgelsen udkom i tidsskriftet Naturkatalyse og blev fremhævet i Kemi- og ingeniørnyheder , et magasin udgivet af American Chemical Society.