I ricercatori della Northwestern University hanno scoperto un nuovo approccio per la creazione di nuovi importanti catalizzatori per favorire la conversione e lo stoccaggio di energia pulita. Il metodo di progettazione ha anche il potenziale per avere un impatto sulla scoperta di nuovi materiali ottici e di archiviazione dei dati, catalizzatori che influiscono sulla sintesi farmaceutica e catalizzatori che consentono una lavorazione più efficiente dei prodotti petroliferi a costi molto inferiori.

Gli scienziati sono continuamente alla ricerca di nuovi materiali per catalizzare (accelerare) le reazioni chimiche ei processi necessari per creare un'ampia gamma di prodotti. Identificare e creare un catalizzatore è complesso, tanto più che il potenziale numero di materiali, definito dalla composizione e dalla dimensione e dalla forma delle particelle, è travolgente.

In questo studio, i ricercatori hanno esaminato le sfide legate al miglioramento dell'accessibilità economica e dell'efficienza del catalizzatore nella conversione e nello stoccaggio di energia pulita. Attualmente, i catalizzatori a base di platino (Pt) sono i più efficaci e comunemente usati per facilitare una reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER), che è, in parte, la base su come le celle a combustibile vengono utilizzate per generare energia. Però, poiché il platino è raro e costoso, gli scienziati hanno cercato alternative più convenienti ed efficienti.

"Abbiamo combinato la teoria, un nuovo potente strumento per sintetizzare nanoparticelle e più di un elemento metallico, in questo caso, una lega costituita da platino, rame e oro, per creare un catalizzatore sette volte più attivo del platino commerciale di ultima generazione, " ha detto Chad A. Mirkin, il professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences e il direttore dell'International Institute for Nanotechnology alla Northwestern.

Lo studio, pubblicato online questa settimana dal Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS), è stato co-autore di Mirkin; Chris Wolverton, il Jerome B. Cohen Professor di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern; e Yijin Kang, un elettrochimico e professore in visita presso l'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche in Cina.

Nello specifico, i ricercatori hanno utilizzato la litografia a copolimero a blocchi di sonda a scansione (SPBCL), insieme ai codici della teoria del funzionale della densità (DFT), progettare e sintetizzare il catalizzatore HER. Inventato nel laboratorio di Mirkin alla Northwestern, SPBCL consente agli scienziati di controllare la crescita e la composizione delle singole nanoparticelle modellate su una superficie. I codici DFT delineano la struttura, proprietà magnetiche ed elettroniche delle molecole, materiali e difetti.

"Oltre a fornire un nuovo modo per catalizzare la reazione HER, il documento mette in evidenza un nuovo approccio per la creazione e la scoperta di nuovi catalizzatori di particelle per quasi tutti i processi industrialmente importanti, "Ha detto Wolverton.

Ciò può includere fornire un percorso chiaro a nuovi superconduttori ad alta temperatura; strutture utili alla memorizzazione dei dati; materiali per nanostrutture di conversione dell'energia solare per spostare la luce alla più piccola scala; e nuovi catalizzatori per convertire prodotti chimici di basso valore (a prezzi accessibili) in prodotti di alto valore, come prodotti farmaceutici e precursori farmaceutici.

L'identificazione di nuovi materiali è essenziale per guidare lo sviluppo tecnologico. Si prevede che il mercato globale della catalisi raggiungerà i 34,3 miliardi di dollari nei prossimi sei anni, secondo un rapporto di Grand View Research, Inc.

"Per trovare i migliori materiali che guidino qualsiasi applicazione di interesse, dobbiamo identificare modi per ridurre il numero di possibilità che saranno studiate e aumentare la velocità con cui possono essere esplorate, " ha detto Kang.

"Questa combinazione di teoria e sintesi di particelle su scala nanometrica inizia ad affrontare questa sfida, " disse Mirkin, che è anche professore alla McCormick.

Lo studio è intitolato "Progettazione del catalizzatore mediante litografia di copolimero a blocchi di sonda a scansione".