Veel elektrochemische reacties doorlopen verschillende stappen. Elk moet indien mogelijk worden geoptimaliseerd op een katalysatoroppervlak, maar voor elke stap gelden andere vereisten. "Omdat eerdere katalysatoren meestal maar één geoptimaliseerde functionaliteit hadden, men kon alleen het best mogelijke compromis sluiten, en energieverliezen niet konden worden vermeden, " legt professor Wolfgang Schuhmann van het Centrum voor Elektrochemie aan de RUB uit.

Met complexe solide oplossingen, op één katalysatoroppervlak kunnen meerdere functionaliteiten tegelijk worden gerealiseerd, het overwinnen van deze beperking. Echter, dit gebeurt alleen als er minimaal vijf verschillende elementen worden gecombineerd. Er zijn miljoenen mogelijkheden in welke procentuele verhoudingen de respectievelijke elementen gecombineerd kunnen worden. De vorige uitdaging van het zoeken naar een strategie om optimale eigenschappen te vinden, lijkt te kunnen worden beantwoord met deze klasse materialen. Nu is het de taak om uit te zoeken welke combinatie het beste het doel vervult. "Overigens, dit kan ook mogelijk zijn met veel gunstiger elementen dan met eerdere katalysatoren, ’ benadrukt Schuhmann.

Voorspellingen maken en controleren

In hun werk, de onderzoeksteams presenteren een aanpak die houvast biedt tussen de talloze mogelijkheden. "We hebben een model ontwikkeld dat de activiteit voor zuurstofreductie kan voorspellen als een functie van samenstelling, zodat de beste samenstelling kan worden berekend, " legt professor Jan Rossmeisl uit van het Centrum voor Hoge Entropy Legeringskatalyse aan de Universiteit van Kopenhagen.

Het team uit Bochum zorgde voor de verificatie van het model. "We kunnen een combinatorisch sputtersysteem gebruiken om materiaalbibliotheken te produceren waarbij elk punt op het oppervlak van de drager een andere samenstelling heeft en er verschillende maar goed gedefinieerde gradiënten zijn in elke richting, " legt professor Alfred Ludwig van de leerstoel nieuwe materialen en interfaces bij RUB uit. Met behulp van een scanning-druppelcel, de katalytische eigenschappen van 342 samenstellingen op een materiaalbibliotheek worden vervolgens automatisch gemeten om activiteitstrends te identificeren.

“We ontdekten dat het originele model nog geen recht deed aan de complexiteit en nog steeds onnauwkeurige voorspellingen deed. we hebben het herzien en opnieuw experimenteel laten testen, " zegt Dr. Thomas Batchelor van het Kopenhagen-team, die in het kader van de samenwerking gastwetenschapper was bij RUB. Deze keer, voorspelling en experimentele meting toonden een uitstekende overeenkomst, wat werd bevestigd door andere materiaalbibliotheken.

Deze strategie maakt de complexe mechanismen aan de oppervlakken mogelijk, die uit vijf chemische elementen bestaat, te identificeren, het grootste deel van de screening aan de computer overlaten. "Als het model universeel toepasbaar blijkt te zijn voor alle elementcombinaties en ook voor andere reacties, een van de grootste uitdagingen van deze katalysatorklasse op dit moment realistisch zou worden aangepakt, ' zei de ploeg.