Forskere tilbyder ny metode til at sætte skub i forskningen i ren energi

Elektrokemiske energisystemer - processer, hvorved elektrisk energi omdannes til kemisk energi - er kernen i etableringen af ​​mere effektiv generering og lagring af intermitterende energi fra vedvarende kilder i brændselsceller og batterier.

De kraftfulde stoffer kendt som katalysatorer, som bruges til at fremskynde kemiske reaktioner, er nøglespillere i disse systemer. Størrelsen og effektiviteten af ​​brændselsceller, for eksempel, kunne have stor gavn af at bruge højtydende katalysatorer.

At producere bedre katalysatorer er lettere sagt end gjort, imidlertid. En katalysators anvendelighed er delvist baseret på mængden og kvaliteten af ​​dens aktive steder, på grund af stedernes specifikke geometri og elektroniske egenskaber. Engineering disse steder kan være en besværlig, ineffektiv proces.

Nu, forskere ved University of Delaware har revolutioneret den måde, hvorpå forskere kan designe katalysatorstrukturer. Deres arbejde, omtalt i det seneste nummer af førende videnskabeligt tidsskrift Naturkemi , har etableret en ny tilgang til styring af meget strukturfølsomme kemier for at opnå den højest mulige aktivitet under hensyntagen til katalysatorstabilitet.

"Optimering af katalysatorer på atomniveau har været et langvarigt problem, da de aktive centre typisk er ukendte, og hvordan man bedst pakker dem sammen for at udføre kemien er forblevet uhåndgribelig, " sagde Dion Vlachos, Allan og Myra Ferguson Chair of Chemical Engineering ved UD og medforfatter på papiret. "Når vi udvikler materialer til forbedret ydeevne, materialernes stabilitet er kritisk. Vores metode er den første, der adresserer både krystalteknik med atompræcision og materialestabilitet."

Ifølge forskerne, det, der adskiller deres metode, er strømlining af materialesyntesen, bruger computere til at skabe mikroskopiske variationer - eller nanodefekter - på en katalysators overflade.

"I fortiden, forskere har modelleret forskellige aktive steder én ad gangen, hvilket er meget tidskrævende, " siger medforfatter Marcel Nunez, som tog sin doktorgrad i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved UD og nu fungerer som designingeniør hos Intel. "Vores tilgang er automatiseret. Det er virkelig den første af sin slags, hjælper med at gøre katalysatorer nemmere at syntetisere og mere stabile under kemiske reaktioner."

Josh Lansford, en doktorgradskandidat i Vlachos-laboratoriet og også en medforfatter på papiret, understregede, at mens beregningerne starter i lille skala - kvante, i dette tilfælde - resultaterne er alt andet end.

"Det handler om at omstrukturere overfladen af ​​katalysatoren for at reducere den nødvendige energi for at få reaktionen til at gå, " sagde han. "Jo mere aktiv siden er, jo højere elektrisk strøm, hvilket fører til en hurtigere reaktion og mere kraftfuld brændselscelle."

Forskerne demonstrerede effektiviteten af ​​deres nye metode ved hjælp af en proces kaldet oxygenreduktionsreaktionen (ORR), som ofte bruges til at generere strøm i brændselsceller til transport. Fordi der er rigeligt med ilt i jordens atmosfære, ORR er en ideel metode til at producere bærbare strømkilder, der ikke udsender kuldioxid (CO2).

Mens brændselsceller endnu ikke er økonomisk levedygtige i stor skala, forfatterne sagde, at de håber, at deres gennembrud vil hjælpe med at ændre det, åbne nye veje for renere og mere økonomisk energiproduktion.

"Den langsigtede vision for vores metode er, at den vil blive brugt til at designe den ønskede katalysatorstruktur på computere, Nunez sagde. "Katalysatoren ville derefter blive syntetiseret og karakteriseret i laboratoriet og brugt i brændselsceller, have en højere ydeevne end den nuværende industristandard. Vores tilgang kanter os mod den økonomiske gennemførlighed af rene brændselscellebiler."