西北大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新方法，用于制造重要的新催化劑，以幫助清潔能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存。該設(shè)計(jì)方法還有可能影響新光學(xué)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)材料的發(fā)現(xiàn)，影響藥物合成的催化劑和能夠以低得多的成本更高效地加工石油產(chǎn)品的催化劑。

科學(xué)家們不斷尋求新材料來(lái)催化(加速)制造各種產(chǎn)品所需的化學(xué)反應(yīng)和過(guò)程。識(shí)別和制造催化劑是復(fù)雜的，尤其是由組成和粒度和形狀決定的潛在材料數(shù)量是巨大的。

在這項(xiàng)研究中，研究人員研究了提高清潔能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存的可負(fù)擔(dān)性和催化劑效率的挑戰(zhàn)。目前，鉑基(Pt)催化劑是最有效的并且通常用于促進(jìn)析氫反應(yīng)(HER)，其部分地是燃料電池如何用于產(chǎn)生能量的基礎(chǔ)。然而，由于鉑金稀少且價(jià)格昂貴，科學(xué)家一直在尋求更實(shí)惠和更有效的替代品。

“我們將理論，一種強(qiáng)大的合成納米顆粒和多種金屬元素的新工具 - 在這種情況下，由鉑，銅和金組成的合金 - 結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出比狀態(tài)為七倍的催化劑。最先進(jìn)的商業(yè)鉑金，“溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的George B. Rathmann化學(xué)教授，西北大學(xué)國(guó)際納米技術(shù)研究所所長(zhǎng)Chad A. Mirkin說(shuō)。

本周由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊(PNAS)在線發(fā)表的研究由Mirkin共同撰寫; Chris Wolverton，西北麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系Jerome B. Cohen教授; 和中國(guó)電子科技大學(xué)的電化學(xué)家和訪問(wèn)教授Yijin Kang。

具體而言，研究人員利用掃描探針嵌段共聚物光刻(SPBCL)以及密度泛函理論(DFT)代碼來(lái)設(shè)計(jì)和合成HER催化劑。SPBCL在西北的Mirkin實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，使科學(xué)家能夠控制表面上圖案化的單個(gè)納米顆粒的生長(zhǎng)和組成。DFT代碼概述了分子，材料和缺陷的結(jié)構(gòu)，磁性和電子特性。

“除了提供催化HER反應(yīng)的新方法之外，本文還強(qiáng)調(diào)了一種新方法，用于制造和發(fā)現(xiàn)新的顆粒催化劑，幾乎適用于任何工業(yè)上重要的工藝，”Wolverton說(shuō)。

這可能包括為新的高溫超導(dǎo)體提供清晰的路徑; 在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中有用的結(jié)構(gòu); 用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的材料納米結(jié)構(gòu)以最小的尺度移動(dòng)光線; 以及將低價(jià)值(可負(fù)擔(dān))化學(xué)品轉(zhuǎn)化為高價(jià)值產(chǎn)品(如藥品和藥物前體)的新催化劑。

識(shí)別新材料對(duì)于推動(dòng)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。根據(jù)Grand View Research，Inc。的報(bào)告，未來(lái)六年全球催化劑市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到343億美元。

“為了找到能夠推動(dòng)任何感興趣的應(yīng)用的最佳材料，我們需要找到減少研究可能性的方法，并提高它們的探索速度，”Kang說(shuō)。

“這種理論和納米級(jí)粒子合成的結(jié)合開(kāi)始迎接這一挑戰(zhàn)，”米爾金說(shuō)，他也是麥考密克的教授。

該研究的標(biāo)題是“通過(guò)掃描探針嵌段共聚物光刻的催化劑設(shè)計(jì)”。