Elektrochemische energiesystemen - processen waarmee elektrische energie wordt omgezet in chemische energie - vormen de kern van het tot stand brengen van een efficiëntere opwekking en opslag van intermitterende energie uit hernieuwbare bronnen in brandstofcellen en batterijen.

De krachtige stoffen die bekend staan ​​als katalysatoren, die worden gebruikt om chemische reacties te versnellen, zijn belangrijke spelers in deze systemen. De grootte en efficiëntie van brandstofcellen, bijvoorbeeld, kunnen veel baat hebben bij het gebruik van hoogwaardige katalysatoren.

Betere katalysatoren produceren is makkelijker gezegd dan gedaan, echter. Het nut van een katalysator is gedeeltelijk gebaseerd op de hoeveelheid en kwaliteit van zijn actieve sites, vanwege de specifieke geometrie en elektronische eigenschappen van de sites. Engineering van deze sites kan een zware, inefficiënt proces.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Delaware hebben een revolutie teweeggebracht in de manier waarop wetenschappers katalysatorstructuren kunnen ontwerpen. Hun werk, vermeld in het laatste nummer van het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Natuurchemie , heeft een nieuwe benadering ontwikkeld voor het beheer van zeer structuurgevoelige chemie om de hoogst mogelijke activiteit te bereiken, rekening houdend met de stabiliteit van de katalysator.

"Het optimaliseren van katalysatoren op atomair niveau is al lang een probleem, aangezien de actieve centra doorgaans onbekend zijn, en hoe ze het beste bij elkaar kunnen worden gebracht om de chemie uit te voeren, is ongrijpbaar gebleven, " zei Dion Vlachos, Allan en Myra Ferguson voorzitter van Chemical Engineering bij UD en co-auteur van het papier. "Terwijl we materialen ontwikkelen voor betere prestaties, de stabiliteit van materialen is van cruciaal belang. Onze methode is de eerste die zowel kristaltechniek met atomaire precisie als materiaalstabiliteit aanpakt."

Volgens de onderzoekers is wat hun methode onderscheidt, is de stroomlijning van de materiaalsynthese, computers gebruiken om microscopisch kleine variaties - of nanodefecten - op het oppervlak van een katalysator te creëren.

"Vroeger, onderzoekers hebben verschillende actieve sites één voor één gemodelleerd, wat erg tijdrovend is, " zegt co-auteur Marcel Nunez, die zijn doctoraat in chemische en biomoleculaire engineering behaalde aan UD en nu dienst doet als ontwerpingenieur bij Intel. "Onze aanpak is geautomatiseerd. Het is echt de eerste in zijn soort, helpen om katalysatoren gemakkelijker te synthetiseren en stabieler te maken tijdens chemische reacties."

Josh Lansford, een promovendus in het Vlachos-lab en tevens co-auteur van de paper, benadrukte dat, terwijl de berekeningen op kleine schaal beginnen - kwantum, in dit geval zijn de resultaten allesbehalve.

"Het draait allemaal om het herstructureren van het oppervlak van de katalysator om de energie te verminderen die nodig is om de reactie te laten verlopen, " zei hij. "Hoe actiever de site, hoe hoger de elektrische stroom, wat leidt tot een snellere reactie en een krachtigere brandstofcel."

De onderzoekers toonden de effectiviteit van hun nieuwe methodologie aan met behulp van een proces dat de zuurstofreductiereactie (ORR) wordt genoemd. die vaak wordt gebruikt om energie op te wekken in brandstofcellen voor transport. Omdat zuurstof overvloedig aanwezig is in de atmosfeer van de aarde, ORR is een ideale methode om draagbare stroombronnen te produceren die geen kooldioxide (CO2) uitstoten.

Hoewel brandstofcellen nog niet op grote schaal economisch levensvatbaar zijn, de auteurs zeiden dat ze hopen dat hun doorbraak daar verandering in zal brengen, nieuwe wegen openen voor schonere en zuinigere energieproductie.

"De langetermijnvisie voor onze methodologie is dat deze zal worden gebruikt om de gewenste katalysatorstructuur op computers te ontwerpen, " zei Nunez. "De katalysator zou dan in het laboratorium worden gesynthetiseerd en gekarakteriseerd en in brandstofcellen worden gebruikt, met een hogere prestatie dan de huidige industriële standaard. Onze aanpak leidt ons naar de economische haalbaarheid van schone brandstofcelvoertuigen."