Para ilmuwan menggunakan nanopartikel “megalibrary” untuk mengungkap alternatif berkinerja rendah dan berkinerja tinggi untuk iridium, jalur terbuka yang lebih cepat ke energi hidrogen yang terjangkau.
Pencarian Iridium Alternatif
Selama bertahun -tahun, para ilmuwan di seluruh dunia telah bekerja untuk menggantikan logam Iridium, berharga dan sangat mahal yang memainkan peran kunci dalam menghasilkan bahan bakar hidrogen bersih.
Baru -baru ini, para peneliti berhasil mengidentifikasi pengganti menggunakan alat inovatif, dan mereka melakukannya hanya dalam satu sore.
Dikembangkan di Universitas NorthwesternAlat ini dikenal sebagai megalibrary. Digambarkan sebagai “pabrik data” pertama di dunia, “satu megalibrary memiliki jutaan nanopartikel yang dirancang dengan hati -hati yang diatur pada chip yang tidak lebih besar dari ujung jari.
Bekerja sama dengan Toyota Research Institute (TRI), tim Northwestern menggunakan platform ini untuk menunjukkan katalis yang menjanjikan untuk generasi hidrogen. Setelah mengidentifikasi seorang kandidat, mereka kemudian meningkatkannya dan membuktikan bahwa bahan tersebut dapat melakukannya pada perangkat yang sebenarnya, semuanya dalam waktu yang sangat singkat.
Megalibrary untuk penemuan material
Megalibrary memungkinkan para ilmuwan untuk menguji kombinasi empat logam yang tak terhitung jumlahnya yang berlimpah, murah, dan dikenal karena sifat katalitiknya. Dari upaya skrining skala besar ini, para peneliti menemukan materi yang sama sekali baru. Dalam uji coba laboratorium, itu tidak hanya cocok untuk tetapi, dalam beberapa kasus, mengungguli katalis berbasis komersial, sementara biaya hanya sebagian kecil dari harga.
Implikasi mencapai jauh melampaui penurunan harga hidrogen hijau. Keberhasilan juga menyoroti potensi pendekatan megalibrary itu sendiri, yang dapat merevolusi bagaimana bahan baru ditemukan di berbagai bidang.
Studi ini diterbitkan pada 19 Agustus di Jurnal American Chemical Society (JACS).
Cara baru untuk menemukan bahan terbaik
“Kami telah merilis alat sintesis paling kuat di dunia, yang memungkinkan seseorang untuk mencari sejumlah besar kombinasi yang tersedia untuk ahli kimia dan ilmuwan material untuk menemukan bahan -bahan penting,” kata Chad A. Mirkin dari Northwestern, penulis penelitian senior dan penemu utama platform megalibrary. “Dalam proyek khusus ini, kami telah menyalurkan kemampuan ke masalah besar yang dihadapi oleh sektor energi. Yaitu: Bagaimana kami menemukan bahan yang sebagus iridium tetapi lebih, lebih tersedia dan jauh lebih murah? Alat baru ini memungkinkan kami untuk menemukan alternatif yang menjanjikan dan menemukannya dengan cepat.”
Pelopor Nanoteknologi, Mirkin adalah seorang Profesor Kimia George B. Rathmann di Weinberg College of Arts and Sciences di Northwestern; Profesor Teknik Kimia dan Biologi, Teknik Biomedis dan Sains dan Teknik Bahan di Sekolah Teknik McCormick; dan Direktur Eksekutif Institut Internasional untuk Nanoteknologi. Mirkin bergabung dengan pekerjaan dengan Ted Sargent, Lynn Hopton Davis dan Greg Davis Profesor Kimia di Weinberg, Profesor Teknik Listrik dan Komputer di McCormick dan Direktur Eksekutif Institut Paula M. Trienens untuk Keberlanjutan dan Energi.
Masalah hidrogen Iridium
Ketika dunia menjauh dari bahan bakar fosil dan ke dekarbonisasi, hidrogen hijau yang terjangkau telah muncul sebagai bagian penting dari teka -teki ini. Untuk menghasilkan energi hidrogen yang bersih, para ilmuwan telah beralih ke pemisahan air, suatu proses yang menggunakan listrik untuk membagi molekul air menjadi dua komponen konstituennya – hidrogen dan oksigen.
Bagian oksigen dari reaksi ini, yang disebut reaksi evolusi oksigen (OER), bagaimanapun, sulit dan tidak efisien. OER paling efektif ketika para ilmuwan menggunakan katalis berbasis iridium, yang memiliki kelemahan yang signifikan. Iridium jarang, mahal dan sering diperoleh sebagai produk sampingan dari penambangan platinum. Lebih berharga dari emas, iridium harganya hampir $ 5.000 per ons.
“Tidak ada cukup Iridium di dunia untuk memenuhi semua kebutuhan kami yang diproyeksikan,” kata Sargent. “Seperti yang kita pikirkan tentang pemisahan air untuk menghasilkan bentuk energi alternatif, tidak ada cukup iridium dari sudut pandang pasokan murni.”
Nanopartikel dalam chip
Mirkin, yang memperkenalkan megalibrarium pada tahun 2016, memutuskan dengan Sargent bahwa menemukan kandidat baru untuk menggantikan Iridium adalah aplikasi yang sempurna untuk alat revolusionernya. Sementara penemuan material secara tradisional adalah tugas yang lambat dan menakutkan yang dipenuhi dengan cobaan, megalibrarium memungkinkan para ilmuwan untuk menunjukkan komposisi yang optimal pada kecepatan yang sangat tinggi.
Setiap megalibrary diciptakan dengan serangkaian ratusan ribu tips berbentuk piramida kecil untuk mencetak “titik” individu ke permukaan. Setiap titik berisi campuran garam logam yang dirancang dengan sengaja. Saat dipanaskan, garam logam dikurangi untuk membentuk nanopartikel tunggal, masing -masing dengan komposisi dan ukuran yang tepat.
“Anda dapat menganggap setiap tip sebagai orang kecil di lab kecil,” kata Mirkin. “Alih -alih memiliki satu orang kecil membuat satu struktur pada satu waktu, Anda memiliki jutaan orang. Jadi, Anda pada dasarnya memiliki pasukan penuh peneliti yang dikerahkan pada sebuah chip.”
Kemenangan katalis muncul
Dalam sebuah studi baru, chip ini mengandung 156 juta partikel, masing -masing terbuat dari kombinasi ruthenium, kobalt, mangan, dan kromium. Pemindai robot kemudian menilai seberapa baik partikel yang paling menjanjikan dapat melakukan oer. Berdasarkan tes -tes ini, Mirkin dan timnya memilih kandidat berkinerja terbaik untuk menjalani pengujian lebih lanjut di laboratorium.
Akhirnya, satu komposisi yang menonjol: kombinasi kanan dari empat logam (RU52Bersama33M N9Cr6 oksida). Katalis multi-logam diketahui mendapatkan efek sinergis yang dapat membuatnya lebih aktif daripada katalis logam tunggal.
“Katalis kami sebenarnya memiliki aktivitas yang sedikit lebih tinggi daripada Iridium dan stabilitas yang sangat baik,” kata Mirkin. “Ini jarang karena ruthenium seringkali kurang stabil. Tetapi elemen lain dalam komposisi ruthenium menstabilkan.”
Membuktikan stabilitas dan manfaat biaya
Kemampuan untuk menyaring partikel untuk kinerja akhir mereka adalah inovasi baru utama. “Untuk pertama kalinya, kami tidak hanya dapat dengan cepat menyaring katalis, tetapi kami melihat kinerja terbaik dalam pengaturan yang dikurangi,” kata Joseph Montoya, seorang ilmuwan riset staf senior di Tri dan penulis studi.
Dalam tes jangka panjang, katalis baru dioperasikan selama lebih dari 1.000 jam dengan efisiensi tinggi dan stabilitas yang sangat baik dalam lingkungan asam yang keras. Ini juga secara dramatis lebih murah daripada biaya satu enam belas iridium.
“Ada banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk membuat ini layak secara komersial, tetapi sangat menarik bahwa kita dapat mengidentifikasi katalis yang menjanjikan begitu cepat – tidak hanya pada skala lab tetapi untuk perangkat,” kata Montoya.
Beyond Hydrogen: gambaran yang lebih besar
Dengan menghasilkan set data material berkualitas tinggi yang besar, pendekatan megalibrary juga menempatkan dasar untuk menggunakan kecerdasan buatan (Ai) dan Pembelajaran Mesin Untuk merancang generasi baru material berikutnya. Northwestern, Tri dan Mattiq, sebuah perusahaan pemintalan Northwestern, telah mengembangkan algoritma pembelajaran mesin untuk menyaring megalibrarium dengan kecepatan rekor.
Mirkin mengatakan ini hanyalah permulaan. Dengan AI, pendekatan ini dapat skala di luar katalis untuk merevolusi penemuan bahan untuk hampir semua teknologi, seperti baterai, perangkat biomedis dan komponen optik yang canggih.
“Kami akan mencari semua jenis bahan untuk baterai, fusi dan banyak lagi,” katanya. Dunia tidak menggunakan bahan terbaik untuk kebutuhannya. Orang -orang menemukan materi terbaik pada titik waktu tertentu, mengingat alat yang tersedia untuk mereka. Masalahnya adalah kita sekarang memiliki infrastruktur besar yang dibangun di sekitar bahan, dan kita terjebak olehnya. Kami ingin membalikkannya. Sudah waktunya untuk benar -benar menemukan bahan terbaik untuk setiap kebutuhan -tanpa kompromi.
Referensi: “Percepat laju penemuan katalis reaksi evolusi oksigen melalui megalibrarium” oleh Jin Huang, Zhe Wang, Jiashun Liang, Xiao-yan Li, Jacob Pietryga, Zihao Ye, Peter T. Xie, Steven B. Torris Hoseph, Joseph H. Monte, Joseph, Joseph, Joseph, Joseph, Joseph, Joseph H. 2025, Jurnal American Chemical Society.
Doi: 10.1021/jacs.5c08326
Studi ini didukung oleh Toyota Research Institute, Mattiq dan Kantor Penelitian Angkatan Darat, Direktorat Pengembangan Laboratorium Penelitian Angkatan Darat (nomor penghargaan W911NF-24-1-0285). Publikasi ini dimungkinkan dengan dukungan ekosistem manufaktur dan desain bioindustri (Biomade); Konten yang diungkapkan di sini adalah bahwa penulis dan tidak selalu mencerminkan pandangan biomade.
Bahan ini didasarkan pada penelitian yang disponsori oleh Angkatan Udara di bawah nomor perjanjian FA8650-21-2-5028. Pemerintah AS memiliki wewenang untuk mereproduksi dan mendistribusikan cetak ulang untuk tujuan pemerintah terlepas dari notasi hak cipta.
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan Buletin ScitechDaily.
NewsRoom.id
