Forskare från Northwestern University har upptäckt ett nytt tillvägagångssätt för att skapa viktiga nya katalysatorer för att hjälpa till med omvandling och lagring av ren energi. Designmetoden har också potential att påverka upptäckten av nya optiska och datalagringsmaterial, katalysatorer som påverkar farmaceutisk syntes och katalysatorer som möjliggör högre effektivitet vid bearbetning av petroleumprodukter till mycket lägre kostnad.

Forskare letar ständigt efter nya material för att katalysera (accelerera) de kemiska reaktioner och processer som krävs för att skapa ett brett utbud av produkter. Att identifiera och skapa en katalysator är komplicerat, särskilt som det potentiella antalet material, definieras av sammansättning och partikelstorlek och form, är överväldigande.

I den här studien, forskare tittade på utmaningarna med att förbättra prisvärdhet och katalysatoreffektivitet vid omvandling och lagring av ren energi. För närvarande, platinabaserade (Pt) katalysatorer är de mest effektiva och används ofta för att underlätta en väteutvecklingsreaktion (HER), vilket är, till viss del, grunden för hur bränsleceller används för att generera energi. Dock, eftersom platina är sällsynt och dyrt, forskare har letat efter mer överkomliga och effektiva alternativ.

"Vi kombinerade teori, ett kraftfullt nytt verktyg för syntetisering av nanopartiklar och mer än ett metalliskt element - i det här fallet, en legering som består av platina, koppar och guld – för att skapa en katalysator som är sju gånger mer aktiv än toppmodern kommersiell platina, "sade Tchad A. Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences och chef för International Institute for Nanotechnology i Northwestern.

Studien, publicerad online denna vecka av Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), var medförfattare av Mirkin; Chris Wolverton, Jerome B. Cohen professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern McCormick School of Engineering; och Yijin Kang, en elektrokemist och gästprofessor från University of Electronic Science and Technology i Kina.

Specifikt, forskare använde scanning probe block copolymer litography (SPBCL), tillsammans med DFT-koder (density-functional theory), att designa och syntetisera HER-katalysatorn. Uppfunnet i Mirkins laboratorium i Northwestern, SPBCL gör det möjligt för forskare att kontrollera tillväxten och sammansättningen av individuella nanopartiklar mönstrade på en yta. DFT-koderna beskriver den strukturella, magnetiska och elektroniska egenskaper hos molekyler, material och defekter.

"Förutom att ge ett nytt sätt att katalysera HER-reaktionen, papperet belyser ett nytt tillvägagångssätt för att tillverka och upptäcka nya partikelkatalysatorer för nästan alla industriellt viktiga processer, " sa Wolverton.

Detta kan innefatta att tillhandahålla en tydlig väg till nya högtemperatursupraledare; strukturer som är användbara vid datalagring; material för solenergiomvandling av nanostrukturer för att flytta runt ljus i minsta skala; och nya katalysatorer för att omvandla lågvärde (prisvärda) kemikalier till högvärdiga produkter, såsom läkemedel och farmaceutiska prekursorer.

Att identifiera nya material är avgörande för att driva den tekniska utvecklingen. Den globala katalysmarknaden förväntas nå 34,3 miljarder dollar under de kommande sex åren, enligt en rapport från Grand View Research, Inc.

"För att hitta klassens bästa material som driver alla intresseansökningar, vi måste identifiera sätt att minska antalet möjligheter som kommer att studeras och öka hastigheten med vilken de kan utforskas, " sa Kang.

"Denna kombination av teori och partikelsyntes i nanoskala börjar ta sig an den utmaningen, "sade Mirkin, som också är professor vid McCormick.

Studien har titeln "Katalysatordesign genom skanning av sondblocksampolymerlitografi."