为重要的能量转换和储存新催化剂开发的设计方法

西北大学的研究人员发现了一种新方法，用于制造重要的新催化剂，以帮助清洁能源转换和储存。该设计方法还有可能影响新光学和数据存储材料的发现，影响药物合成的催化剂和能够以低得多的成本更高效地加工石油产品的催化剂。

科学家们不断寻求新材料来催化(加速)制造各种产品所需的化学反应和过程。识别和制造催化剂是复杂的，尤其是由组成和粒度和形状决定的潜在材料数量是巨大的。

在这项研究中，研究人员研究了提高清洁能源转换和储存的可负担性和催化剂效率的挑战。目前，铂基(Pt)催化剂是最有效的并且通常用于促进析氢反应(HER)，其部分地是燃料电池如何用于产生能量的基础。然而，由于铂金稀少且价格昂贵，科学家一直在寻求更实惠和更有效的替代品。

“我们将理论，一种强大的合成纳米颗粒和多种金属元素的新工具 - 在这种情况下，由铂，铜和金组成的合金 - 结合起来，创造出比状态为七倍的催化剂。最先进的商业铂金，“温伯格艺术与科学学院的George B. Rathmann化学教授，西北大学国际纳米技术研究所所长Chad A. Mirkin说。

本周由美国国家科学院院刊(PNAS)在线发表的研究由Mirkin共同撰写; Chris Wolverton，西北麦考密克工程学院材料科学与工程系Jerome B. Cohen教授; 和中国电子科技大学的电化学家和访问教授Yijin Kang。

具体而言，研究人员利用扫描探针嵌段共聚物光刻(SPBCL)以及密度泛函理论(DFT)代码来设计和合成HER催化剂。SPBCL在西北的Mirkin实验室发明，使科学家能够控制表面上图案化的单个纳米颗粒的生长和组成。DFT代码概述了分子，材料和缺陷的结构，磁性和电子特性。

“除了提供催化HER反应的新方法之外，本文还强调了一种新方法，用于制造和发现新的颗粒催化剂，几乎适用于任何工业上重要的工艺，”Wolverton说。

这可能包括为新的高温超导体提供清晰的路径; 在数据存储中有用的结构; 用于太阳能转换的材料纳米结构以最小的尺度移动光线; 以及将低价值(可负担)化学品转化为高价值产品(如药品和药物前体)的新催化剂。

识别新材料对于推动技术发展至关重要。根据Grand View Research，Inc。的报告，未来六年全球催化剂市场预计将达到343亿美元。

“为了找到能够推动任何感兴趣的应用的最佳材料，我们需要找到减少研究可能性的方法，并提高它们的探索速度，”Kang说。

“这种理论和纳米级粒子合成的结合开始迎接这一挑战，”米尔金说，他也是麦考密克的教授。

该研究的标题是“通过扫描探针嵌段共聚物光刻的催化剂设计”。