Många elektrokemiska reaktioner går igenom flera steg. Var och en bör optimeras på en katalysatoryta om möjligt, men olika krav gäller för varje steg. "Eftersom tidigare katalysatorer vanligtvis bara hade en optimerad funktionalitet, man kunde bara göra bästa möjliga kompromiss, och energiförluster kunde inte undvikas, " förklarar professor Wolfgang Schuhmann från Center for Electrochemistry vid RUB.

Med komplexa solida lösningar, flera funktionaliteter kan realiseras samtidigt på en katalysatoryta, övervinna denna begränsning. Dock, detta händer bara när minst fem olika element kombineras. Det finns miljontals möjligheter i vilka procentsatser de respektive elementen kan kombineras. Den tidigare utmaningen att söka efter en strategi för att hitta optimala egenskaper tycks vara löst med denna klass av material. Nu är uppgiften att ta reda på vilken kombination som uppfyller målet på bästa möjliga sätt. "Tillfälligtvis, detta kan också vara möjligt med mycket mer fördelaktiga grundämnen än med tidigare katalysatorer, " betonar Schuhmann.

Gör och kontrollera förutsägelser

I sitt arbete, forskarteamen presenterar ett tillvägagångssätt som ger vägledning bland de otaliga möjligheterna. "Vi har utvecklat en modell som kan förutsäga aktiviteten för syrereduktion som en funktion av sammansättningen, vilket gör det möjligt att beräkna den bästa sammansättningen, " förklarar professor Jan Rossmeisl från Center for High Entropy Alloy Catalysis vid Köpenhamns universitet.

Teamet från Bochum stod för verifieringen av modellen. "Vi kan använda ett kombinatoriskt sputtersystem för att producera materialbibliotek där varje punkt på ytan av stödet har en annan sammansättning och det finns olika men väldefinierade gradienter i varje riktning, " förklarar professor Alfred Ludwig från ordföranden för nya material och gränssnitt vid RUB. Med hjälp av en scanning droppcell, de katalytiska egenskaperna hos 342 kompositioner på ett materialbibliotek mäts sedan automatiskt för att identifiera aktivitetstrender.

"Vi fann att den ursprungliga modellen ännu inte gjorde rättvisa åt komplexiteten och gjorde fortfarande oprecisa förutsägelser. Därför, vi reviderade det och lät testa det igen experimentellt, " säger Dr. Thomas Batchelor från Köpenhamnsteamet, som var gästforskare på RUB som en del av samarbetet. Den här gången, förutsägelse och experimentell mätning visade utmärkt överensstämmelse, vilket bekräftades av ytterligare materialbibliotek.

Denna strategi tillåter de komplexa mekanismerna vid ytorna, som består av fem kemiska grundämnen, att identifieras, lämnar det mesta av screeningarbetet till datorn. "Om modellen visar sig vara universellt tillämplig på alla elementkombinationer och även för andra reaktioner, en av de för närvarande största utmaningarna i denna katalysatorklass skulle realistiskt mötas, " sa laget.