Pesquisadores da Northwestern University descobriram uma nova abordagem para a criação de novos catalisadores importantes para auxiliar na conversão e armazenamento de energia limpa. O método de design também tem o potencial de impactar a descoberta de novos materiais óticos e de armazenamento de dados, catalisadores que afetam a síntese farmacêutica e catalisadores que permitem o processamento de produtos de petróleo com maior eficiência a um custo muito mais baixo.

Os cientistas procuram continuamente novos materiais para catalisar (acelerar) as reações químicas e os processos necessários para criar uma ampla gama de produtos. Identificar e criar um catalisador é complexo, especialmente quanto ao número potencial de materiais, definido pela composição e tamanho e forma da partícula, é opressor.

Neste estudo, os pesquisadores analisaram os desafios de melhorar a acessibilidade e a eficiência do catalisador na conversão e armazenamento de energia limpa. Atualmente, catalisadores à base de platina (Pt) são os mais eficazes e comumente usados ​​para facilitar uma reação de evolução de hidrogênio (HER), qual é, em parte, a base de como as células de combustível são usadas para gerar energia. Contudo, como a platina é rara e cara, os cientistas têm buscado alternativas mais acessíveis e eficientes.

"Combinamos a teoria, uma nova ferramenta poderosa para sintetizar nanopartículas e mais de um elemento metálico - neste caso, uma liga que consiste em platina, cobre e ouro - para criar um catalisador que é sete vezes mais ativo do que a platina comercial de última geração, "disse Chad A. Mirkin, George B. Rathmann Professor de Química no Weinberg College of Arts and Sciences e o diretor do International Institute for Nanotechnology at Northwestern.

O estudo, publicado online esta semana pela Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), foi co-autoria de Mirkin; Chris Wolverton, o professor Jerome B. Cohen de Ciência e Engenharia de Materiais na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern; e Yijin Kang, eletroquímico e professor visitante da Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China.

Especificamente, pesquisadores utilizaram litografia de copolímero de bloco de sonda de varredura (SPBCL), junto com códigos de teoria funcional de densidade (DFT), para projetar e sintetizar o catalisador HER. Inventado no laboratório de Mirkin em Northwestern, O SPBCL permite que os cientistas controlem o crescimento e a composição de nanopartículas individuais padronizadas em uma superfície. Os códigos DFT delineiam a estrutura, propriedades magnéticas e eletrônicas das moléculas, materiais e defeitos.

"Além de fornecer uma nova maneira de catalisar a reação HER, o artigo destaca uma nova abordagem para fazer e descobrir novos catalisadores de partículas para quase todos os processos industrialmente importantes, "Wolverton disse.

Isso pode incluir fornecer um caminho claro para novos supercondutores de alta temperatura; estruturas úteis no armazenamento de dados; materiais para nanoestruturas de conversão de energia solar para mover a luz na mais ínfima das escalas; e novos catalisadores para converter produtos químicos de baixo valor (acessíveis) em produtos de alto valor, tais como produtos farmacêuticos e precursores farmacêuticos.

Identificar novos materiais é essencial para impulsionar o desenvolvimento tecnológico. O mercado global de catálise deve chegar a US $ 34,3 bilhões nos próximos seis anos, de acordo com um relatório da Grand View Research, Inc.

"Para encontrar os melhores materiais da classe que direcionam qualquer aplicação de interesse, precisamos identificar maneiras de reduzir o número de possibilidades que serão estudadas e aumentar a taxa em que podem ser exploradas, "Kang disse.

"Esta combinação de teoria e síntese de partículas em nanoescala começa a enfrentar esse desafio, "disse Mirkin, que também é professor na McCormick.

O estudo é intitulado "Projeto de catalisador por digitalização de litografia de copolímero de bloco de sonda".