Hurtig identifikation af høj ydeevne, multi-element katalysatorer

Mange elektrokemiske reaktioner gennemgår flere trin. Hver skal optimeres på en katalysatoroverflade, hvis det er muligt, men forskellige krav gælder for hvert trin. "Da tidligere katalysatorer normalt kun havde én optimeret funktionalitet, man kunne kun indgå det bedst mulige kompromis, og energitab kunne ikke undgås, " forklarer professor Wolfgang Schuhmann fra Center for Elektrokemi på RUB.

Med komplekse solide løsninger, flere funktionaliteter kan realiseres samtidigt på en katalysatoroverflade, overvinde denne begrænsning. Imidlertid, dette sker kun, når mindst fem forskellige elementer kombineres. Der er millioner af muligheder, i hvilke procentforhold de respektive elementer kan kombineres. Den tidligere udfordring med at søge efter en strategi for at finde optimale egenskaber ser ud til at være ansvarlig med denne klasse af materialer. Nu er opgaven at finde ud af, hvilken kombination der opfylder målet bedst muligt. "I øvrigt, dette kan også være muligt med meget mere gunstige grundstoffer end med tidligere katalysatorer, " understreger Schuhmann.

Lav og kontroller forudsigelser

I deres arbejde, forskerholdene præsenterer en tilgang, der giver vejledning blandt de utallige muligheder. "Vi har udviklet en model, der kan forudsige aktiviteten for iltreduktion som funktion af sammensætning, dermed muliggøre beregning af den bedste sammensætning, " forklarer professor Jan Rossmeisl fra Center for High Entropy Alloy Catalysis på Københavns Universitet.

Holdet fra Bochum leverede verifikationen af ​​modellen. "Vi kan bruge et kombinatorisk sputtersystem til at producere materialebiblioteker, hvor hvert punkt på overfladen af ​​underlaget har en forskellig sammensætning, og der er forskellige, men veldefinerede gradienter i hver retning, " forklarer professor Alfred Ludwig fra formanden for nye materialer og grænseflader på RUB. Ved hjælp af en scannende dråbecelle, de katalytiske egenskaber af 342 sammensætninger på et materialebibliotek måles derefter automatisk for at identificere aktivitetstendenser.

"Vi fandt ud af, at den originale model endnu ikke ydede kompleksiteten retfærdighed og stadig lavede upræcise forudsigelser. Derfor, vi reviderede det og fik det testet igen eksperimentelt, " siger Dr. Thomas Batchelor fra det københavnske team, som var gæsteforsker ved RUB som en del af samarbejdet. Denne gang, forudsigelse og eksperimentel måling viste fremragende overensstemmelse, hvilket blev bekræftet af yderligere materialebiblioteker.

Denne strategi tillader de komplekse mekanismer ved overfladerne, som består af fem kemiske grundstoffer, at blive identificeret, overlader det meste af screeningsindsatsen til computeren. "Hvis modellen viser sig at være universelt anvendelig på alle elementkombinationer og også på andre reaktioner, en af ​​de i øjeblikket største udfordringer i denne katalysatorklasse ville være realistisk opfyldt, " sagde holdet.