Onderzoekers van de Northwestern University hebben een nieuwe benadering ontdekt voor het creëren van belangrijke nieuwe katalysatoren om te helpen bij de omzetting en opslag van schone energie. De ontwerpmethode heeft ook het potentieel om de ontdekking van nieuwe optische en gegevensopslagmaterialen te beïnvloeden, katalysatoren die de farmaceutische synthese beïnvloeden en katalysatoren die een efficiëntere verwerking van aardolieproducten tegen veel lagere kosten mogelijk maken.

Wetenschappers zijn voortdurend op zoek naar nieuwe materialen om de chemische reacties en processen te katalyseren (versnellen) die nodig zijn om een ​​breed scala aan producten te creëren. Het identificeren en creëren van een katalysator is complex, vooral als het potentiële aantal materialen, gedefinieerd door samenstelling en deeltjesgrootte en vorm, is overweldigend.

In dit onderzoek, onderzoekers keken naar de uitdagingen van het verbeteren van de betaalbaarheid en katalysatorefficiëntie bij de conversie en opslag van schone energie. Momenteel, op platina gebaseerde (Pt) katalysatoren zijn het meest effectief en worden vaak gebruikt om een ​​waterstofontwikkelingsreactie (HER) te vergemakkelijken, dat wil zeggen, gedeeltelijk, de basis voor hoe brandstofcellen worden gebruikt om energie op te wekken. Echter, omdat platina zeldzaam en kostbaar is, wetenschappers zijn op zoek naar meer betaalbare en efficiënte alternatieven.

"We combineerden theorie, een krachtig nieuw hulpmiddel voor het synthetiseren van nanodeeltjes en meer dan één metalen element - in dit geval een legering bestaande uit platina, koper en goud - om een ​​katalysator te creëren die zeven keer actiever is dan de modernste commerciële platina, " zei Chad A. Mirkin, de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences en de directeur van het International Institute for Nanotechnology in Northwestern.

De studie, deze week online gepubliceerd door de Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS), was co-auteur van Mirkin; Chris Wolverton, de Jerome B. Cohen hoogleraar Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering van Northwestern; en Yijin Kang, een elektrochemicus en gasthoogleraar aan de Universiteit van Elektronische Wetenschap en Technologie in China.

specifiek, onderzoekers gebruikten scanning probe block copolymeer lithografie (SPBCL), samen met dichtheid-functionele theorie (DFT) codes, om de HER-katalysator te ontwerpen en te synthetiseren. Uitgevonden in het laboratorium van Mirkin in Northwestern, SPBCL stelt wetenschappers in staat om de groei en samenstelling van individuele nanodeeltjes met patronen op een oppervlak te controleren. De DFT-codes schetsen de structurele, magnetische en elektronische eigenschappen van moleculen, materialen en gebreken.

"Naast het bieden van een nieuwe manier om de HER-reactie te katalyseren, de paper belicht een nieuwe benadering voor het maken en ontdekken van nieuwe deeltjeskatalysatoren voor bijna elk industrieel belangrijk proces, ' zei Wolverton.

Dit kan inhouden dat er een duidelijk pad wordt geboden naar nieuwe supergeleiders voor hoge temperaturen; structuren die nuttig zijn bij gegevensopslag; materialen voor de omzetting van zonne-energie nanostructuren om licht op de kleinste schaal te verplaatsen; en nieuwe katalysatoren om laagwaardige (betaalbare) chemicaliën om te zetten in hoogwaardige producten, zoals geneesmiddelen en farmaceutische voorlopers.

Het identificeren van nieuwe materialen is essentieel voor het stimuleren van technologische ontwikkeling. De wereldwijde katalysemarkt zal naar verwachting in de komende zes jaar $ 34,3 miljard bereiken, volgens een rapport van Grand View Research, Inc.

"Om eersteklas materialen te vinden die elke interessante toepassing aansturen, we moeten manieren vinden om het aantal mogelijkheden dat zal worden bestudeerd te verminderen en de snelheid waarmee ze kunnen worden verkend, te verhogen, ' zei Kang.

"Deze combinatie van theorie en deeltjessynthese op nanoschaal begint die uitdaging aan te gaan, " zei Mirkin, die ook een professor is bij McCormick.

De studie is getiteld "Catalyst design by scanning probe block copolymeer lithography".