Des chercheurs de la Northwestern University ont découvert une nouvelle approche pour créer de nouveaux catalyseurs importants pour aider à la conversion et au stockage d'énergie propre. La méthode de conception a également le potentiel d'avoir un impact sur la découverte de nouveaux matériaux optiques et de stockage de données, des catalyseurs qui ont un impact sur la synthèse pharmaceutique et des catalyseurs qui permettent un traitement plus efficace des produits pétroliers à un coût beaucoup plus bas.

Les scientifiques sont continuellement à la recherche de nouveaux matériaux pour catalyser (accélérer) les réactions chimiques et les processus nécessaires à la création d'une large gamme de produits. Identifier et créer un catalyseur est complexe, d'autant plus que le nombre potentiel de matériaux, défini par la composition et la taille et la forme des particules, est accablant.

Dans cette étude, les chercheurs se sont penchés sur les défis de l'amélioration de l'abordabilité et de l'efficacité des catalyseurs dans la conversion et le stockage d'énergie propre. Actuellement, les catalyseurs à base de platine (Pt) sont les plus efficaces et les plus couramment utilisés pour faciliter une réaction de dégagement d'hydrogène (HER), lequel est, en partie, la base de la façon dont les piles à combustible sont utilisées pour produire de l'énergie. Cependant, le platine étant rare et coûteux, les scientifiques ont cherché des alternatives plus abordables et efficaces.

"Nous avons combiné la théorie, un nouvel outil puissant pour synthétiser des nanoparticules et plus d'un élément métallique - dans ce cas, un alliage constitué de platine, cuivre et or - pour créer un catalyseur sept fois plus actif que le platine commercial de pointe, " a déclaré Chad A. Mirkin, le professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences et le directeur de l'Institut international de nanotechnologie de Northwestern.

L'étude, publié en ligne cette semaine par le Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS), a été co-écrit par Mirkin; Chris Wolverton, le professeur Jerome B. Cohen de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern; et Yijin Kang, électrochimiste et professeur invité de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine.

Spécifiquement, les chercheurs ont utilisé la lithographie de copolymère séquencé par sonde à balayage (SPBCL), ainsi que des codes de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), concevoir et synthétiser le catalyseur HER. Inventé dans le laboratoire de Mirkin à Northwestern, SPBCL permet aux scientifiques de contrôler la croissance et la composition de nanoparticules individuelles modelées sur une surface. Les codes DFT décrivent la structure, propriétés magnétiques et électroniques des molécules, matériaux et défauts.

"En plus de fournir une nouvelle façon de catalyser la réaction HER, l'article met en évidence une nouvelle approche pour la fabrication et la découverte de nouveaux catalyseurs de particules pour presque tous les processus d'importance industrielle, " a déclaré Wolverton.

Cela peut inclure la fourniture d'un chemin clair vers de nouveaux supraconducteurs à haute température ; structures utiles dans le stockage de données; des matériaux pour les nanostructures de conversion de l'énergie solaire pour déplacer la lumière à la plus petite des échelles ; et de nouveaux catalyseurs pour la conversion de produits chimiques de faible valeur (abordables) en produits de grande valeur, tels que les produits pharmaceutiques et les précurseurs pharmaceutiques.

L'identification de nouveaux matériaux est essentielle pour stimuler le développement technologique. Le marché mondial de la catalyse devrait atteindre 34,3 milliards de dollars au cours des six prochaines années, selon un rapport de Grand View Research, Inc.

« Pour trouver les meilleurs matériaux de leur catégorie qui stimulent toute application d'intérêt, nous devons identifier des moyens de réduire le nombre de possibilités qui seront étudiées et d'augmenter la vitesse à laquelle elles peuvent être explorées, " a déclaré Kang.

"Cette combinaison de théorie et de synthèse de particules à l'échelle nanométrique commence à relever ce défi, " dit Mirkin, qui est également professeur à McCormick.

L'étude s'intitule "Conception de catalyseur par lithographie de copolymère séquencé de sonde à balayage".