Para ilmuwan menggunakan nanopartikel “megalibrary” untuk mengungkap alternatif berbiaya rendah dan berkinerja tinggi untuk iridium, membuka jalur yang lebih cepat ke energi hidrogen yang terjangkau.
Pencarian untuk alternatif Iridium
Selama bertahun -tahun, para ilmuwan di seluruh dunia telah bekerja untuk menggantikan Iridium, logam yang 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” nanomaterial pertama di dunia, “megalibrary tunggal memegang 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 pembangkit hidrogen. Setelah mengidentifikasi seorang kandidat, mereka kemudian meningkatkannya dan membuktikan bahwa materi tersebut dapat melakukan di dalam perangkat yang sebenarnya, semuanya dalam waktu yang sangat singkat.
Megalibrary untuk penemuan bahan
Megalibrary memungkinkan para ilmuwan untuk menguji kombinasi empat logam yang tak terhitung jumlahnya yang berlimpah, murah, dan sudah dikenal karena sifat katalitiknya. Dari upaya penyaringan besar -besaran ini, para peneliti menemukan materi yang sama sekali baru. Dalam uji coba laboratorium, itu tidak hanya cocok dengan tetapi, dalam beberapa kasus, mengungguli katalis berbasis iridium komersial, sementara biaya hanya sebagian kecil dari harga.
Implikasinya 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 melepaskan 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 yang penting,” kata Chad A. Mirkin dari Northwestern, penulis senior penelitian dan penemu utama platform Megalibrary. “Dalam proyek khusus ini, kami telah menyalurkan kemampuan itu menuju masalah besar yang dihadapi sektor energi. Yaitu: bagaimana kami menemukan bahan yang sebagus iridium tetapi lebih banyak, lebih tersedia dan jauh lebih murah? Alat baru ini memungkinkan kami untuk menemukan alternatif yang menjanjikan dan menemukannya dengan cepat.”
Pelopor nanoteknologi, Mirkin adalah Profesor Kimia George B. Rathmann di Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences; Profesor Teknik Kimia dan Biologi, Teknik Biomedis dan Ilmu dan Teknik Bahan di Sekolah Teknik McCormick; dan Direktur Eksekutif Institut Internasional untuk Nanoteknologi. Mirkin ikut memimpin 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 Iridium Hidrogen
Ketika dunia menjauh dari bahan bakar fosil dan menuju dekarbonisasi, hidrogen hijau yang terjangkau telah muncul sebagai bagian kritis dari teka -teki tersebut. 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.”
Pasukan nanopartikel di sebuah 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 merupakan tugas yang lambat dan menakutkan yang diisi dengan coba -coba, megalibraries memungkinkan para ilmuwan untuk menunjukkan komposisi optimal pada kecepatan sangat tinggi.
Setiap megalibrary diciptakan dengan array ratusan ribu tips kecil berbentuk piramida 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.”
Katalis kemenangan muncul
Dalam studi baru, chip ini berisi 156 juta partikel, masing -masing terbuat dari kombinasi ruthenium, kobalt, mangan, dan kromium yang berbeda. Pemindai robot kemudian menilai seberapa baik partikel yang paling menjanjikan dapat melakukan OER. Berdasarkan tes-tes ini, Mirkin dan timnya memilih kandidat yang berkinerja terbaik untuk menjalani pengujian lebih lanjut di laboratorium.
Akhirnya, satu komposisi menonjol: kombinasi yang tepat dari keempat logam (RU52Bersama33M N9Cr6 oksida). Katalis multi-logam diketahui memperoleh 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. “Itu jarang karena seringkali ruthenium kurang stabil. Tetapi elemen -elemen lain dalam komposisi menstabilkan ruthenium.”
Membuktikan Stabilitas dan Manfaat Biaya
Kemampuan untuk menyaring partikel untuk kinerja pamungkas mereka adalah inovasi baru yang utama. “Untuk pertama kalinya, kami tidak hanya dapat dengan cepat menyaring katalis, tetapi kami melihat yang terbaik berkinerja baik dalam pengaturan yang diperkecil,” 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 di lingkungan asam yang keras. Ini juga secara dramatis lebih murah daripada Iridium-sekitar seperenam belas dari biaya.
“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 bahan berkualitas tinggi yang besar, pendekatan megalibrary juga meletakkan dasar untuk menggunakan kecerdasan buatan (Ai) dan Pembelajaran Mesin untuk merancang generasi material baru 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 canggih.
“Kami akan mencari segala macam bahan untuk baterai, fusi dan banyak lagi,” katanya. Dunia tidak menggunakan bahan terbaik untuk kebutuhannya. Orang -orang menemukan bahan terbaik pada titik waktu tertentu, mengingat alat yang tersedia bagi mereka. Masalahnya adalah bahwa kami sekarang memiliki infrastruktur besar yang dibangun di sekitar bahan -bahan itu, dan kami terjebak dengan mereka. Kami ingin membalikkan itu. Saatnya untuk benar -benar menemukan bahan terbaik untuk setiap kebutuhan – tanpa kompromi.
Referensi: “Mempercepat 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. Torrisi, Joseph H. Montoya, Gang Wu, Edward H. Sargent dan Chad A. Mirkin, 19 Agustus 2025, Jurnal American Chemical Society.
Doi: 10.1021/jacs.5c08326
Studi ini didukung oleh Toyota Research Institute, Mattiq dan Kantor Penelitian Angkatan Darat, sebuah direktorat Laboratorium Penelitian Angkatan Darat Pengembangan Kemampuan Angkatan Darat AS (nomor penghargaan W911NF-23-1-0285). 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 berwenang untuk mereproduksi dan mendistribusikan cetak ulang untuk tujuan pemerintah terlepas dari notasi hak cipta apa pun.
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.
BN Nasional
