Vědci použili nanočástice „megalibibrary“ k odhalení nízkonákladové, vysoce výkonné alternativy k iridiu a odemkli rychlejší cestu k dostupné vodíkové energii.
Hledání alternativ Iridia
Vědci po celém světě se po celá léta snaží nahradit Iridium, vzácný a extrémně nákladný kov, který hraje klíčovou roli při výrobě čistého vodíkového paliva.
Nedávno se vědcům podařilo identifikovat náhradu pomocí průkopnického nástroje a udělali to jen za jedno odpoledne.
Vyvinutý na Northwestern UniversityTento nástroj je známý jako megalibrary. Jediná megalibrary, která je popsána jako první nanomateriální „datová továrna“ na světě, drží miliony pečlivě navržených nanočástic uspořádaných na čipu, ne větší než prstové.
Severozápadní tým ve spolupráci s výzkumným ústavem Toyota Research Institute (TRI) použil tuto platformu k určení slibných katalyzátorů pro výrobu vodíku. Po identifikaci kandidáta ho poté zmenšili a prokázali, že materiál může hrát uvnitř skutečného zařízení, a to vše v pozoruhodně krátké době.
Megaliína pro objevování materiálů
Megalibrary umožnila vědcům testovat nespočet kombinací čtyř kovů, které jsou hojné, levné a již známé svými katalytickými vlastnostmi. Z tohoto masivního screeningového úsilí vědci odhalili zcela nový materiál. V laboratorních pokusech se to nejen shodovalo, ale v některých případech překonalo komerční katalyzátory založené na iridiu, zatímco stojí pouze zlomek ceny.
Důsledky sahají daleko za hranice snižování ceny zeleného vodíku. Úspěch také zdůrazňuje potenciál samotného přístupu megalibrary, který by mohl revolucionizovat, jak se objevují nové materiály na celé řadě polí.
Studie byla zveřejněna 19. srpna v Journal of American Chemical Society (JACS).
Nový způsob, jak najít nejlepší materiály
„Rozpustili jsme pravděpodobně nejsilnější syntézní nástroj na světě, který umožňuje člověku prohledat obrovský počet kombinací dostupných chemistům a vědcům z materiálů, aby našli materiály, na kterých záleží,“ řekl Northwestern’s Chad A. Mirkin, vedoucí autor studie a primární vynálezce megalibrary platformy. „V tomto konkrétním projektu jsme tuto schopnost nasměrovali k velkému problému, kterému čelí energetický sektor. To je: Jak najdeme materiál, který je stejně dobrý jako Iridium, ale je hojnější, dostupnější a mnohem levnější? Tento nový nástroj nám umožnil najít slibnou alternativu a rychle ho najít.“
Mirkin je průkopníkem nanotechnologie, profesorem chemie George B. Rathmanna na Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences; Profesor chemického a biologického inženýrství, biomedicínského inženýrství a věd o materiálech a inženýrství na McCormick School of Engineering; a výkonný ředitel Mezinárodního institutu pro nanotechnologii. Mirkin spolupracoval s Tedem Sargent, Lynn Hopton Davis a Greg Davis profesor chemie ve Weinbergu, profesor elektrického a počítačového inženýrství v McCormick a výkonný ředitel Institutu pro udržitelnost a energii Paula M. Trienens.
Problém s iridiem vodíku
Jak se svět vzdálí od fosilních paliv a směrem k dekarbonizaci, dostupný zelený vodík se stal kritickým kusem hádanky. Pro produkci čisté energie vodíku se vědci změnili na štěpení vody, což je proces, který využívá elektřinu k rozdělení molekul vody do svých dvou složek – vodík a kyslík.
Část kyslíku této reakce, nazvaná reakce vývoje kyslíku (OER), je však obtížná a neefektivní. OER je nejúčinnější, když vědci používají katalyzátory na bázi iridia, které mají významné nevýhody. Iridium je vzácné, drahé a často se získává jako vedlejší produkt z těžby platiny. Cennější než zlato, iridium téměř náklady 5 000 $ za unci.
„Na světě není dost iridia, aby vyhovoval všem našim předpokládaným potřebám,“ řekl Sargent. „Když přemýšlíme o rozdělení vody za účelem generování alternativních forem energie, není dostatek iridia z čistě zásobovacího hlediska.“
Armáda nanočástic na čipu
Mirkin, kdo představil megalibrary V roce 2016 rozhodl se Sargentem, že nalezení nových kandidátů, kteří nahradí Iridium, bylo perfektní aplikací pro jeho revoluční nástroj. Zatímco objevování materiálů je tradičně pomalý a skličující úkol plný pokusů a omylů, megalibrary umožňují vědcům určit optimální kompozice při rychlostech přerušení.
Každá megalibrary je vytvořena polí stovek tisíc drobných, pyramidových tipů pro tisk jednotlivých „teček“ na povrch. Každá tečka obsahuje úmyslně navrženou směs kovových solí. Po zahřátí se kovové soli redukují na vytvoření jednotlivých nanočástic, z nichž každá má přesnou složení a velikost.
„Můžete si myslet na každý tip jako na malého člověka v malé laboratoři,“ řekl Mirkin. „Místo toho, aby jeden malý člověk vytvořil jednu strukturu najednou, máte miliony lidí. Takže v podstatě máte plnou armádu vědců nasazenou na čipu.“
Objevuje se vítězný katalyzátor
V nové studii obsahoval čip 156 milionů částic, z nichž každý vyrobil různé kombinace ruthenia, kobaltu, manganu a chromu. Robotický skener poté posoudil, jak dobře by nejslibnější částice mohly provádět OER. Na základě těchto testů si Mirkin a jeho tým vybrali nejlepší kandidáty, kteří podstoupili další testování v laboratoři.
Nakonec jedna skladba vynikla: přesná kombinace všech čtyř kovů (RU52CO33Mn9Cr6 kysličník). Je známo, že multikovové katalyzátory vyvolávají synergické účinky, díky nimž jsou aktivnější než katalyzátory s jedním kovem.
„Náš katalyzátor má ve skutečnosti trochu vyšší aktivitu než Iridium a vynikající stabilita,“ řekl Mirkin. „To je vzácné, protože Ruthenium je často méně stabilní. Ale ostatní prvky ve složení stabilizují ruthenium.“
Prokázání stability a nákladů
Schopnost prověřit částice pro jejich konečný výkon je hlavní novou inovací. „Poprvé jsme dokázali nejen rychle prověřovat katalyzátory, ale viděli jsme, jak nejlepší vystupují dobře v zmenšeném prostředí,“ řekl Joseph Montoya, vědec pro výzkum vedoucího pracovníka v TRI a spoluautor studia.
Při dlouhodobých testech provozoval nový katalyzátor více než 1 000 hodin s vysokou účinností a vynikající stabilitou v drsném kyselém prostředí. Je také dramaticky levnější než Iridium-asi šestintá z nákladů.
„Je tu spousta práce, aby se tento komerčně životaschopný, ale je velmi vzrušující, že dokážeme tak rychle identifikovat slibné katalyzátory – nejen v laboratorním měřítku, ale také pro zařízení,“ řekl Montoya.
Za vodíkem: Větší obrázek
Vytvořením masivních vysoce kvalitních datových souborů materiálů megalibrary také stanoví základy pro použití Umělá inteligence (Ai) a strojové učení navrhnout další generaci nových materiálů. Northwestern, Tri a Mattiq, severozápadní spinoutská společnost, se již vyvinuly Algoritmy strojového učení Prohledat megalibrary při rekordních rychlostech.
Mirkin říká, že je to jen začátek. S AI by tento přístup mohl škálovat mimo katalyzátory k revoluci objevování materiálů pro prakticky jakoukoli technologii, jako jsou baterie, biomedicínské zařízení a pokročilé optické komponenty.
„Budeme hledat nejrůznější materiály pro baterie, fúzi a další,“ řekl. „Svět nevyužívá nejlepší materiály pro své potřeby. Lidé našli nejlepší materiály v určitém okamžiku, vzhledem k nástrojům, které mají k dispozici. Problém je v tom, že nyní máme obrovskou infrastrukturu postavenou kolem těchto materiálů a my jsme s nimi přilepeni. Chceme to obrátit vzhůru nohama. Je čas skutečně najít nejlepší materiály pro každou potřebu – bez kompromisu.“
Reference: „Zrychlení tempa objevu katalyzátoru vývoje kyslíkového vývoje prostřednictvím megalibrarů“ od Jin Huang, Zhe Wang, Jiashun Liang, Xiao-Yan Li, Jacob Pietryga, Zihao Ye, Peter T. Smith, Alp Kulaksizoglu, Connor R. McCormick, Jaerim Kim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim, Bosim. Xie, Steven B. Torrisi, Joseph H. Montoya, Gang Wu, Edward H. Sargent a Chad A. Mirkin, 19. srpna 2025, Journal of American Chemical Society.
Doi: 10.1021/jacs.5c08326
Studie byla podpořena výzkumným institutem Toyota, Mattiq a Army Research Office, ředitelstvím americké armádní bojové schopnosti rozvojové výzkumné laboratoře armády (číslo W911NF-23-1-0285). Tato publikace byla umožněna s podporou bioindustriálního výrobního a designového ekosystému (Biomade); Obsah vyjádřený v tomto dokumentu je obsah autorů a nemusí nutně odrážet názory na biomadu.
Tento materiál je založen na výzkumu sponzorovaném Air Force na základě dohody číslo FA8650-21-2-5028. Americká vláda je oprávněna reprodukovat a distribuovat dotisky pro vládní účely bez ohledu na to, že na ni jakákoli notace autorských práv.
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
