Nya riktlinjer som fastställts av Nebraska och kinesiska forskare kan styra utformningen av billigare, mer effektiva katalysatorer inriktade på att öka produktionen av väte som förnybart bränsle.

Nebraskas Xiao Cheng Zeng och kollegor har identifierat flera förbisedda faktorer som är avgörande för prestationen av enkelatomkatalysatorer:individuella atomer, vanligtvis metalliska och förankrade av omgivande molekylära ramverk, som startar och påskyndar kemiska reaktioner.

Teamet lade ihop dessa variabler till en enkel ekvation som krävde vad Zeng beskrev som "back-of-the-envelope-beräkningar". Den ekvationen bör göra det möjligt för forskare att enkelt förutsäga hur valet av atom och dess omgivande material kommer att påverka katalytisk prestanda. Hittills, forskare har ofta förlitat sig på tidskrävande försök och fel för att hitta lovande enkelatomkatalysatorer.

"All denna (relevanta) information kan enkelt samlas in från en lärobok, "sa Zeng, Kanslerens universitetsprofessor i kemi. "Redan innan ett experiment, du kan snabbt se om det är ett bra sätt att göra katalysatorn. Vi förenklar processen. "

Med hjälp av dess ekvation, laget upptäckte flera atom-ram-kombinationer som approximerar prestandan hos ädelmetallkatalysatorer-platina, guld, iridium - till bara tusendelar av kostnaden. En bytte ut en platinaatom för mangan; en annan ersatte iridium med kobolt.

"Det finns två (primära) sätt att sänka priset på dessa katalysatorer, "Zeng sa." Det ena är att använda så lite av metaller som möjligt-så enkelkatalysatorer är de billigaste. Den andra riktningen är att hitta alternativa metaller som järn eller aluminium eller zink som är mycket billiga. "

Två av lagets atom-ram-kombinationer kan dela vatten i dess beståndsdelar:en syreatom och två väteatomer, den senare kan fungera som ett grönt bränsle för fordon och andra applikationer. Två andra katalysatorkandidater hjälper syreatomer att ta emot fler elektroner, prima dem att binda till positivt laddade väteatomer och bilda vatten - den önskade biprodukten av vätebränsleceller.

"Just nu, detta är inte det rådande sättet att producera väte, "Zeng sa." Industrin använder fortfarande fossila bränslen för att producera väte. Det är bara billigare. Så det är vår motivation:sänk kostnaden så att alla dessa renare, bränsleproducerande reaktioner blir (livskraftiga). "

Scoutrapport

Forskarna fann att antalet och arten av atomer som är direkt bundna till en enkelatomskatalysator kan i hög grad påverka hur det katalyserar kemiska reaktioner. I vissa fall, den katalyserande atomen kan vara bunden till antingen tre eller fyra andra atomer, var och en är själv en del av en fem- eller sexatomring. Varje atom i det omedelbara nätverket har också en känd attraktion för elektroner, med styrkan i den attraktionen ytterligare påverka katalytisk prestanda.

Arrangemanget och kvaliteterna hos de närliggande atomerna spelar roll, Zeng sa, på samma sätt som en offensiv linje spelar roll för en stationär, pocketpassande quarterback. Och teamets nya ekvation kan fungera som en spaningsrapport för forskare som vill förstärka styrkorna eller täcka svagheterna hos sin personal, han sa.

För Zeng och hans kollegor, att personalen bestod av mer än 20 så kallade övergångsmetaller som i allmänhet är sämre än ädelmetaller vid katalysering av reaktioner. Men teamet visade att kring en kobolt, järn eller annan atom med andra strängar med rätt miljö-ibland en bikaka av kolatomer som kallas grafen, ibland kan ett nätverk av kväveatomer - höja dess prestanda.

"Varje offensiv linje är annorlunda, "Zeng sa." Hur får du quarterbacken att fungera bäst i den fickan? Hur hittar du den bästa quarterbacken inom olika fickor?

"Om du har en tvåstjärnig quarterback, du behöver en bättre offensiv linje. Men även en backbackback kan fungera bra med rätt linje. "

Zeng författade studien med kollegor från Beijing University of Chemical Technology. Studien dök upp i tidningen Naturkatalys och markerades i Kemiska och tekniska nyheter , en tidning publicerad av American Chemical Society.