Przez dziesięciolecia badacze z całego świata szukali alternatyw dla irydu, niezwykle rzadki, niezwykle drogi metal używany do produkcji czystego paliwa wodorowego.
Teraz, nowe potężne narzędzie znalazło jedno – w ciągu jednego popołudnia.
Wynalezione i opracowane na Uniwersytecie Northwestern narzędzie to tzw. megaliblioteka. Pierwsza na świecie „fabryka danych” nanomateriałów, każda megaliblioteka zawiera miliony unikalnie zaprojektowanych nanocząstek na jednym małym chipie. We współpracy z badaczami z Toyota Research Institute (TRI), zespół wykorzystał tę technologię do odkrycia katalizatorów mających znaczenie komercyjne dla produkcji wodoru. Następnie powiększyli materiał i udowodnili, że może działać w urządzeniu – wszystko w rekordowym czasie.
Dzięki megalibliotece naukowcy szybko przetestowali ogromne kombinacje czterech powszechnie dostępnych, tanich metali – każdy znany ze swojej wydajności katalizatorowej – aby znaleźć nowy materiał o wydajności porównywalnej do irydu. Zespół odkrył całkowicie nowy materiał, który w eksperymentach laboratoryjnych dorównywał lub w niektórych przypadkach nawet przewyższał wydajność materiałów komercyjnych opartych na irydzie, ale przy ułamku kosztów.
To odkrycie nie tylko czyni zielony wodór dostępny cenowo; dowodzi również skuteczności nowego podejścia megalibliotece, które może całkowicie zmienić sposób, w jaki badacze znajdują nowe materiały do wielu zastosowań.
Badanie zostało opublikowane 19 sierpnia w Journal of the American Chemical Society (JACS).
„Uwolniliśmy prawdopodobnie najpotężniejsze narzędzie syntezy na świecie, które umożliwia przeszukiwanie ogromnej liczby dostępnych kombinacji dla chemików i naukowców zajmujących się materiałami w celu znalezienia istotnych materiałów,” powiedział Chad A. Mirkin z Northwestern, główny autor studium i główny wynalizator platformy megaliblioteki. „W tym konkretnym projekcie wykorzystaliśmy tę zdolność w celu rozwiązania głównego problemu sektora energetycznego. Mianowicie: jak znaleźć materiał równie dobry jak iryd, ale bardziej powszechny, dostępny i znacznie tańszy? To nowe narzędzie pozwoliło nam znaleźć obiecującą alternatywę i znaleźć ją szybko.”
Pionier nanotechnologii, Mirkin jest profesorem chemii na Wydziale Sztuk i Nauk Weinberg na Uniwersytecie Northwestern; profesor inżynierii chemicznej i biologicznej, inżynierii biomedycznej oraz inżynierii materiałowej na Wydziale Inżynierii McCormick i dyrektorem wykonawczym Międzynarodowego Instytutu Nanotechnologii. Mirkin współprowadził prace z Tedem Sargentem, profesorem chemii na Wydziale Sztuk i Nauk Weinberg, profesorem inżynierii elektrycznej i informatycznej na Wydziale Inżynierii McCormick i dyrektorem wykonawczym Instytutu Paula M. Trienens ds. Zrównoważonego Rozwoju i Energii.
’Nie ma wystarczająco irydu na świecie’
Jak świat odchodzi od paliw kopalnych i zmierza w kierunku dekarbonizacji, tani wodór zielony stał się kluczowym elementem układanki. Aby produkować czystą energię wodorową, naukowcy zwrócili się ku rozkładowi wody, procesowi, który używa prądu elektrycznego do rozdzielenia cząsteczek wody na dwa składniki – wodór i tlen.
Część reakcji, zwana reakcją rozdzielania tlenu (OER), jest jednak trudna i niewydajna. OER jest najbardziej skuteczny, gdy naukowcy używają katalizatorów opartych na irydzie, które mają istotne wady. Iryd jest rzadki, drogi i często pozyskiwany jako produkt uboczny z wydobycia platyny. Cenniejszy od złota, iryd kosztuje prawie 5000 dolarów za uncję.
„Nie ma wystarczającej ilości irydu na świecie, aby zaspokoić wszystkie nasze przewidywane potrzeby,” powiedział Sargent. „Gdy myślimy o rozdzielaniu wody w celu generowania alternatywnych form energii, nie ma wystarczająco irydu z czysto perspektywy dostaw.”
’Cała armia na chipie’
Mirkin, który wprowadził megaliblioteki w 2016 roku, postanowił z Sargentem, że znalezienie nowych kandydatów na zastąpienie irydu był idealnym zastosowaniem dla jego rewolucyjnego narzędzia. Podczas gdy odkrywanie materiałów tradycyjnie jest powolnym i przytłaczającym zadaniem pełnym prób i błędów, megaliblioteki umożliwiają naukowcom odnalezienie optymalnych składów w zawrotnym tempie.
Każda megalblioteka jest tworzona z tablic setek tysięcy małych, stożkowatych końcówek, aby wydrukować indywidualne „kropki” na powierzchni. Każda kropka zawiera celowo zaprojektowany mieszaninę soli metalu. Gdy są podgrzewane, sole metalu ulegają redukcji, tworząc pojedyncze nanocząstki, z precyzyjnym składem i wielkością.
„Możesz myśleć o każdej końcówce, jak o małej osobie w małym laboratorium,” powiedział Mirkin. „Zamiast jednej małej osoby tworzącej jedną strukturę naraz, masz miliony osób. Dzięki temu masz praktycznie całą armię badaczy rozmieszczoną na chipie.”
A zwycięzcą jest…
W nowym badaniu, chip zawierał 156 milionów cząsteczek, każda z różnymi kombinacjami rutenu, kobaltu, manganu i chromu. Robotyczny skaner ocenił, jak dobrze najbardziej obiecujące cząsteczki mogą wykonywać OER. Na podstawie tych testów Mirkin i jego zespół wybrali najlepsze kandydatki do dalszego testowania w laboratorium.
Ostatecznie jedna kompozycja wyróżniała się: dokładne połączenie wszystkich czterech metali (Ru52Co33Mn9Cr6 tlenek). Katalizatory wielometalowe mają znane efekty synergiczne, które czynią je bardziej aktywnymi niż katalizatory jednometalowe.
„Nasz katalizator faktycznie ma nieco większą aktywność niż iryd i doskonałą stabilność,” powiedział Mirkin. „To rzadkie, ponieważ często ruthen jest mniej stabilny. Ale inne elementy w składzie stabilizują ruthen.”
Możliwość przetestowania cząstek pod kątem ich ostatecznej wydajności jest nową, znaczącą innowacją. „Po raz pierwszy nie tylko mogliśmy szybko przetestować katalizatory, ale zobaczyliśmy, że najlepsze z nich działały dobrze w skali dużo większej,” powiedział Joseph Montoya, główny pracownik naukowy w TRI i współautor badania.
W długoterminowych testach nowy katalizator pracował przez ponad 1000 godzin z wysoką wydajnością i doskonałą stabilnością w trudnym kwaśnym środowisku. Jest również znacznie tańszy od irydu – około jednej szesnastej ceny.
„Jest wiele pracy do zrobienia, aby to stało się opłacalne komercyjnie, ale jest bardzo ekscytujące, że możemy tak szybko zidentyfikować obiecujące katalizatory – nie tylko na skalę laboratoryjną, ale również dla urządzeń,” powiedział Montoya.
To dopiero początek
Dzięki generowaniu olbrzymich zbiorów danych wysokiej jakości megalibioteka otwiera również drogę do wykorzystania sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego do projektowania następnej generacji nowych materiałów. Northwestern, TRI i Mattiq, spin-outowa firma Northwestern, opracowały już algorytmy uczenia maszynowego do przesiewania megalibliotek z rekordową prędkością.
Mirkin mówi, że to dopiero początek. Za pomocą sztucznej inteligencji podejście może się rozwinąć poza katalizatory, aby zrewolucjonizować odkrywanie materiałów dla praktycznie każdej technologii, takiej jak baterie, urządzenia biomedyczne i zaawansowane komponenty optyczne.
„Będziemy szukać wszelkiego rodzaju materiałów do baterii, fuzji i nie tylko,” powiedział. „Świat nie korzysta z najlepszych materiałów do swoich potrzeb. Ludzie znaleźli najlepsze materiały w określonym punkcie czasu, biorąc pod uwagę dostępne im narzędzia. Problem polega na tym, że teraz mamy ogromną infrastrukturę zbudowaną wokół tych materiałów, i utknęliśmy na nich. Chcemy to odwrócić. Przyszła pora, aby faktycznie odnaleźć najlepsze materiały dla każdej potrzeby – bez kompromisów.”
O badaniu
Badanie „Przyspieszanie tempa odkrywania katalizatorów reakcji wytwarzania tlenu przez megaliblioteki” zostało wsparte przez Toyota Research Institute, Mattiq i Biura Badań Wojskowych, dyrektoriat Żołnierskiej Laboratorium Rozwoju Zdolności Bojowych Wojskowych Komendy Rozwoju Laboratorium Badawczego Armii USA (numer nagrody W911NF-23-1-0285). Publikację tę umożliwiło wsparcie Bioindustrial Manufacturing and Design Ecosystem (BioMADE); zawartość tutaj wyrażona należy do autorów i niekoniecznie odzwierciedla poglądy BioMADE.
Materiał ten oparty jest na badania sponsorowane przez Siły Powietrzne pod numerem umowy FA8650-21-2-5028. Rząd Stanów Zjednoczonych ma uprawnienie do reprodukcji i dystrybucji reprintów w celach rządowych pomimo jakichkolwiek oznaczeń praw autorskich.
Wnioski zawarte w tym dokumencie są poglądami autorów i nie powinny być interpretowane jako reprezentujące oficjalne zasady lub poparcia, ani wyrażone, ani domniemane, przez Siły Powietrzne lub Rząd Stanów Zjednoczonych.
