Elektrokemiska energisystem – processer genom vilka elektrisk energi omvandlas till kemisk energi – är kärnan i att etablera mer effektiv generering och lagring av intermittent energi från förnybara källor i bränsleceller och batterier.

De kraftfulla ämnen som kallas katalysatorer, som används för att påskynda kemiska reaktioner, är nyckelspelare i dessa system. Bränslecellernas storlek och effektivitet, till exempel, skulle kunna dra stor nytta av att använda högpresterande katalysatorer.

Att producera bättre katalysatorer är lättare sagt än gjort, dock. En katalysators användbarhet är delvis baserad på mängden och kvaliteten på dess aktiva platser, på grund av platsernas specifika geometri och elektroniska egenskaper. Konstruktion av dessa platser kan vara en mödosam, ineffektiv process.

Nu, forskare vid University of Delaware har revolutionerat sättet på vilket forskare kan designa katalysatorstrukturer. Deras arbete, med i det senaste numret av ledande vetenskaplig tidskrift Naturkemi , har etablerat ett nytt tillvägagångssätt för att hantera mycket strukturkänsliga kemier för att uppnå högsta möjliga aktivitet med hänsyn till katalysatorstabilitet.

"Att optimera katalysatorer på atomnivå har varit ett långvarigt problem, eftersom de aktiva centran vanligtvis är okända, och hur man bäst packar ihop dem för att utföra kemin har förblivit svårfångade, sa Dion Vlachos, Allan och Myra Ferguson Ordförande för kemiteknik vid UD och medförfattare på tidningen. "När vi konstruerar material för förbättrad prestanda, Materialens stabilitet är avgörande. Vår metod är den första som tar itu med både kristallteknik med atomär precision och materialstabilitet."

Enligt forskarna, det som skiljer deras metod åt är effektiviseringen av materialsyntesen, använder datorer för att skapa mikroskopiska variationer – eller nanodefekter – på en katalysators yta.

"Förr, forskare har modellerat olika aktiva platser en i taget, vilket är mycket tidskrävande, " säger medförfattaren Marcel Nunez, som tog sin doktorsexamen i kemi- och biomolekylär teknik vid UD och nu tjänstgör som designingenjör på Intel. "Vårt tillvägagångssätt är automatiserat. Det är verkligen det första i sitt slag, hjälper till att göra katalysatorer lättare att syntetisera och mer stabila under kemiska reaktioner."

Josh Lansford, en doktorand i Vlachos-labbet och även en medförfattare på uppsatsen, betonade att, medan beräkningarna börjar i liten skala - kvant, i det här fallet – resultaten är allt annat än.

"Det handlar om att omstrukturera ytan på katalysatorn för att minska den energi som krävs för att få reaktionen att gå, " sa han. "Ju aktivare sidan, ju högre elektrisk ström, vilket leder till en snabbare reaktion och mer kraftfull bränslecell."

Forskarna demonstrerade effektiviteten av deras nya metodik med hjälp av en process som kallas syrereduktionsreaktionen (ORR), som ofta används för att generera kraft i bränsleceller för transport. Eftersom det finns gott om syre i jordens atmosfär, ORR är en idealisk metod för att producera bärbara kraftkällor som inte släpper ut koldioxid (CO2).

Även om bränsleceller ännu inte är ekonomiskt lönsamma i stor skala, författarna sa att de hoppas att deras genombrott kommer att bidra till att förändra det, öppnar nya vägar för renare och mer ekonomisk energiproduktion.

"Den långsiktiga visionen för vår metod är att den ska användas för att designa den önskade katalysatorstrukturen på datorer, Nunez sa. "Katalysatorn skulle sedan syntetiseras och karakteriseras i laboratoriet och användas i bränsleceller, har högre prestanda än den nuvarande industristandarden. Vårt tillvägagångssätt leder oss mot den ekonomiska genomförbarheten av rena bränslecellsfordon."