Para ilmuwan menggunakan nanopartikel “megalibrary” untuk mengungkap alternatif berbiaya rendah dan berkinerja tinggi untuk iridium, membuka jalur yang lebih cepat ke energi hidrogen yang terjangkau.

Pencarian untuk alternatif Iridium

Selama bertahun -tahun, para ilmuwan di seluruh dunia telah bekerja untuk menggantikan Iridium, logam yang berharga dan sangat mahal yang memainkan peran kunci dalam menghasilkan bahan bakar hidrogen bersih.

Baru -baru ini, para peneliti berhasil mengidentifikasi pengganti menggunakan alat inovatif, dan mereka melakukannya hanya dalam satu sore.

Dikembangkan di Universitas Northwesternalat ini dikenal sebagai megalibrary. Digambarkan sebagai “pabrik data” nanomaterial pertama di dunia, “megalibrary tunggal memegang jutaan nanopartikel yang dirancang dengan hati -hati yang diatur pada chip yang tidak lebih besar dari ujung jari.

Bekerja sama dengan Toyota Research Institute (TRI), tim Northwestern menggunakan platform ini untuk menunjukkan katalis yang menjanjikan untuk pembangkit hidrogen. Setelah mengidentifikasi seorang kandidat, mereka kemudian meningkatkannya dan membuktikan bahwa materi tersebut dapat melakukan di dalam perangkat yang sebenarnya, semuanya dalam waktu yang sangat singkat.

Megalibrary untuk penemuan bahan

Megalibrary memungkinkan para ilmuwan untuk menguji kombinasi empat logam yang tak terhitung jumlahnya yang berlimpah, murah, dan sudah dikenal karena sifat katalitiknya. Dari upaya penyaringan besar -besaran ini, para peneliti menemukan materi yang sama sekali baru. Dalam uji coba laboratorium, itu tidak hanya cocok dengan tetapi, dalam beberapa kasus, mengungguli katalis berbasis iridium komersial, sementara biaya hanya sebagian kecil dari harga.

Implikasinya mencapai jauh melampaui penurunan harga hidrogen hijau. Keberhasilan juga menyoroti potensi pendekatan megalibrary itu sendiri, yang dapat merevolusi bagaimana bahan baru ditemukan di berbagai bidang.

Studi ini diterbitkan pada 19 Agustus di Jurnal American Chemical Society (JACS).

Cara baru untuk menemukan bahan terbaik

“Kami telah melepaskan alat sintesis paling kuat di dunia, yang memungkinkan seseorang untuk mencari sejumlah besar kombinasi yang tersedia untuk ahli kimia dan ilmuwan material untuk menemukan bahan yang penting,” kata Chad A. Mirkin dari Northwestern, penulis senior penelitian dan penemu utama platform Megalibrary. “Dalam proyek khusus ini, kami telah menyalurkan kemampuan itu menuju masalah besar yang dihadapi sektor energi. Yaitu: bagaimana kami menemukan bahan yang sebagus iridium tetapi lebih banyak, lebih tersedia dan jauh lebih murah? Alat baru ini memungkinkan kami untuk menemukan alternatif yang menjanjikan dan menemukannya dengan cepat.”

Pelopor nanoteknologi, Mirkin adalah Profesor Kimia George B. Rathmann di Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences; Profesor Teknik Kimia dan Biologi, Teknik Biomedis dan Ilmu dan Teknik Bahan di Sekolah Teknik McCormick; dan Direktur Eksekutif Institut Internasional untuk Nanoteknologi. Mirkin ikut memimpin pekerjaan dengan Ted Sargent, Lynn Hopton Davis dan Greg Davis Profesor Kimia di Weinberg, Profesor Teknik Listrik dan Komputer di McCormick dan Direktur Eksekutif Institut Paula M. Trienens untuk Keberlanjutan dan Energi.

Masalah Iridium Hidrogen

Ketika dunia menjauh dari bahan bakar fosil dan menuju dekarbonisasi, hidrogen hijau yang terjangkau telah muncul sebagai bagian kritis dari teka -teki tersebut. Untuk menghasilkan energi hidrogen yang bersih, para ilmuwan telah beralih ke pemisahan air, suatu proses yang menggunakan listrik untuk membagi molekul air menjadi dua komponen konstituennya – hidrogen dan oksigen.

Bagian oksigen dari reaksi ini, yang disebut reaksi evolusi oksigen (OER), bagaimanapun, sulit dan tidak efisien. OER paling efektif ketika para ilmuwan menggunakan katalis berbasis iridium, yang memiliki kelemahan yang signifikan. Iridium jarang, mahal dan sering diperoleh sebagai produk sampingan dari penambangan platinum. Lebih berharga dari emas, Iridium harganya hampir $ 5.000 per ons.

“Tidak ada cukup Iridium di dunia untuk memenuhi semua kebutuhan kami yang diproyeksikan,” kata Sargent. “Seperti yang kita pikirkan tentang pemisahan air untuk menghasilkan bentuk energi alternatif, tidak ada cukup iridium dari sudut pandang pasokan murni.”

Pasukan nanopartikel di sebuah chip

Mirkin, yang memperkenalkan megalibrarium pada tahun 2016, memutuskan dengan Sargent bahwa menemukan kandidat baru untuk menggantikan Iridium adalah aplikasi yang sempurna untuk alat revolusionernya. Sementara penemuan material secara tradisional merupakan tugas yang lambat dan menakutkan yang diisi dengan coba -coba, megalibraries memungkinkan para ilmuwan untuk menunjukkan komposisi optimal pada kecepatan sangat tinggi.

Setiap megalibrary diciptakan dengan array ratusan ribu tips kecil berbentuk piramida untuk mencetak “titik” individu ke permukaan. Setiap titik berisi campuran garam logam yang dirancang dengan sengaja. Saat dipanaskan, garam logam dikurangi untuk membentuk nanopartikel tunggal, masing -masing dengan komposisi dan ukuran yang tepat.

“Anda dapat menganggap setiap tip sebagai orang kecil di lab kecil,” kata Mirkin. “Alih -alih memiliki satu orang kecil membuat satu struktur pada satu waktu, Anda memiliki jutaan orang. Jadi, Anda pada dasarnya memiliki pasukan penuh peneliti yang dikerahkan pada sebuah chip.”

Katalis kemenangan muncul

Dalam studi baru, chip ini berisi 156 juta partikel, masing -masing terbuat dari kombinasi ruthenium, kobalt, mangan, dan kromium yang berbeda. Pemindai robot kemudian menilai seberapa baik partikel yang paling menjanjikan dapat melakukan OER. Berdasarkan tes-tes ini, Mirkin dan timnya memilih kandidat yang berkinerja terbaik untuk menjalani pengujian lebih lanjut di laboratorium.

Akhirnya, satu komposisi menonjol: kombinasi yang tepat dari keempat logam (RU₅₂Bersama₃₃M N₉Cr₆ oksida). Katalis multi-logam diketahui memperoleh efek sinergis yang dapat membuatnya lebih aktif daripada katalis logam tunggal.

“Katalis kami sebenarnya memiliki aktivitas yang sedikit lebih tinggi daripada Iridium dan stabilitas yang sangat baik,” kata Mirkin. “Itu jarang karena seringkali ruthenium kurang stabil. Tetapi elemen -elemen lain dalam komposisi menstabilkan ruthenium.”

Membuktikan Stabilitas dan Manfaat Biaya

Kemampuan untuk menyaring partikel untuk kinerja pamungkas mereka adalah inovasi baru yang utama. “Untuk pertama kalinya, kami tidak hanya dapat dengan cepat menyaring katalis, tetapi kami melihat yang terbaik berkinerja baik dalam pengaturan yang diperkecil,” kata Joseph Montoya, seorang ilmuwan riset staf senior di Tri dan penulis studi.

Dalam tes jangka panjang, katalis baru dioperasikan selama lebih dari 1.000 jam dengan efisiensi tinggi dan stabilitas yang sangat baik di lingkungan asam yang keras. Ini juga secara dramatis lebih murah daripada Iridium-sekitar seperenam belas dari biaya.

“Ada banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk membuat ini layak secara komersial, tetapi sangat menarik bahwa kita dapat mengidentifikasi katalis yang menjanjikan begitu cepat – tidak hanya pada skala lab tetapi untuk perangkat,” kata Montoya.

Beyond Hydrogen: Gambaran yang lebih besar

Dengan menghasilkan set data bahan berkualitas tinggi yang besar, pendekatan megalibrary juga meletakkan dasar untuk menggunakan kecerdasan buatan (Ai) dan Pembelajaran Mesin untuk merancang generasi material baru berikutnya. Northwestern, Tri dan Mattiq, sebuah perusahaan pemintalan Northwestern, telah mengembangkan algoritma pembelajaran mesin untuk menyaring megalibrarium dengan kecepatan rekor.

Mirkin mengatakan ini hanyalah permulaan. Dengan AI, pendekatan ini dapat skala di luar katalis untuk merevolusi penemuan bahan untuk hampir semua teknologi, seperti baterai, perangkat biomedis dan komponen optik canggih.

“Kami akan mencari segala macam bahan untuk baterai, fusi dan banyak lagi,” katanya. Dunia tidak menggunakan bahan terbaik untuk kebutuhannya. Orang -orang menemukan bahan terbaik pada titik waktu tertentu, mengingat alat yang tersedia bagi mereka. Masalahnya adalah bahwa kami sekarang memiliki infrastruktur besar yang dibangun di sekitar bahan -bahan itu, dan kami terjebak dengan mereka. Kami ingin membalikkan itu. Saatnya untuk benar -benar menemukan bahan terbaik untuk setiap kebutuhan – tanpa kompromi.

Referensi: “Mempercepat laju penemuan katalis reaksi evolusi oksigen melalui megalibrarium” oleh Jin Huang, Zhe Wang, Jiashun Liang, Xiao-Yan Li, Jacob Pietryga, Zihao Ye, Peter T. Xie, Steven B. Torrisi, Joseph H. Montoya, Gang Wu, Edward H. Sargent dan Chad A. Mirkin, 19 Agustus 2025, Jurnal American Chemical Society.
Doi: 10.1021/jacs.5c08326

Studi ini didukung oleh Toyota Research Institute, Mattiq dan Kantor Penelitian Angkatan Darat, sebuah direktorat Laboratorium Penelitian Angkatan Darat Pengembangan Kemampuan Angkatan Darat AS (nomor penghargaan W911NF-23-1-0285). Publikasi ini dimungkinkan dengan dukungan ekosistem manufaktur dan desain bioindustri (Biomade); Konten yang diungkapkan di sini adalah bahwa penulis dan tidak selalu mencerminkan pandangan biomade.

Bahan ini didasarkan pada penelitian yang disponsori oleh Angkatan Udara di bawah Nomor Perjanjian FA8650-21-2-5028. Pemerintah AS berwenang untuk mereproduksi dan mendistribusikan cetak ulang untuk tujuan pemerintah terlepas dari notasi hak cipta apa pun.

Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.

Proses bertenaga surya NTU Singapura mengubah lumpur limbah menjadi energi bersih dan pakan ternak, mengurangi limbah dan emisi karbon sambil meningkatkan pemulihan sumber daya. Para ilmuwan di Nanyang Technological University, Singapura (NTU Singapura), telah mengembangkan proses bertenaga surya yang inovatif untuk mengonversi lumpur limbah-produk sampingan dari pengolahan air limbah-ke dalam hidrogen hijau untuk energi bersih dan protein sel tunggal untuk pakan ternak. (…)

RisalahPos.com Network

Para ilmuwan telah membuka kunci cara inovatif untuk menghasilkan hidrogen bersih menggunakan gelombang mikro, secara drastis mengurangi panas ekstrem yang diperlukan untuk metode konvensional. Dengan memanfaatkan energi gelombang mikro, tim menurunkan suhu reaksi lebih dari 60%, membuat produksi hidrogen jauh lebih efisien dan berkelanjutan. Terobosan utama adalah penciptaan lowongan oksigen yang cepat, penting untuk pemisahan (…)

RisalahPos.com Network

Related

Para peneliti telah mengembangkan katalis baru yang secara unik meningkatkan aktivitas seiring berjalannya waktu, tidak seperti kebanyakan katalis yang mengalami penurunan. Katalis yang dapat dikembangkan sendiri ini, terbuat dari rutenium dengan basis karbon, menawarkan jalur berkelanjutan untuk memecah amonia menjadi hidrogen, pembawa energi ramah lingkungan. Produksi Hidrogen Revolusioner dari Amonia Para ilmuwan telah mengembangkan katalis inovatif untuk menghasilkan hidrogen dari (…)

RisalahPos.com Network

Related

Proses sel surya baru yang menggunakan bahan oksida Sn(II)-perovskit menawarkan jalur yang menjanjikan untuk produksi hidrogen ramah lingkungan melalui pemisahan air, sehingga memajukan teknologi energi berkelanjutan. Para ahli kimia skala nano telah membuat kemajuan signifikan menuju produksi hidrogen yang berkelanjutan dan efisien dari air menggunakan tenaga surya. Sebuah studi kolaboratif internasional yang dipimpin oleh Flinders University, melibatkan peneliti dari South (…)

RisalahPos.com Network

Related

Para peneliti telah mengembangkan metode untuk secara tepat menemukan lokasi atom hidrogen dalam nanofilam, sebuah terobosan dengan implikasi signifikan terhadap superkonduktivitas dan sifat material lainnya. Studi mereka, yang menggunakan analisis reaksi nuklir dan penyaluran ion, mengungkapkan bagaimana hidrogen dan isotopnya didistribusikan dalam nanofilm titanium, menawarkan wawasan dalam menyesuaikan sifat material untuk berbagai aplikasi termasuk hidrogen (…)

RisalahPos.com Network

Related

Dengan menggunakan superkomputer, tim fisikawan telah mengonfirmasi perbedaan antara pengamatan alam semesta dan prediksi teoritis tentang strukturnya.

Tim tersebut menggunakan PRIYA, serangkaian simulasi yang mengambil data cahaya optik dari dua survei untuk menyempurnakan parameter kosmologi, guna menentukan batasan pengukuran alam semesta dan evolusinya. Penelitian tim tersebut dipublikasikan awal bulan ini di jurnal Jurnal Kosmologi dan Fisika Astropartikel.

Dengan menggunakan PRIYA, tim tersebut mempelajari spektrogram, yang merupakan gambar garis emisi hidrogen di alam semesta. Spektrogram tersebut menangkap hutan Lyman-Alpha, kumpulan garis serapan yang padat dalam spektrum dari quasar, sumber cahaya yang sangat terang di alam semesta.

Dalam spektrogram tim, lonjakan frekuensi yang hilang mengindikasikan “atom dan molekul yang ditemui cahaya di sepanjang jalan,” kata Simeon Bird, fisikawan di UC Riverside dan salah satu penulis penelitian tersebut, dalam rilis universitas. “Karena setiap jenis atom memiliki cara khusus untuk menyerap cahaya, meninggalkan semacam tanda dalam spektrogram, maka dimungkinkan untuk melacak keberadaan mereka, terutama hidrogen, unsur paling melimpah di alam semesta,” tambahnya.

Materi gelap adalah istilah umum untuk sekitar 27% isi alam semesta. Dinamakan demikian karena tidak pernah diamati secara langsung, tetapi keberadaannya terlihat jelas dalam efek gravitasinya. Instrumen seperti Teleskop Luar Angkasa Euclid mengumpulkan data yang dapat mengungkap susunan alam semesta yang gelap.

Pada saat yang sama, instrumen di darat, seperti proyek DM Radio, perlahan-lahan mengurangi rentang massa potensial partikel yang mungkin bertanggung jawab atas materi gelap. Beberapa kandidat populer untuk materi gelap adalah Partikel Masif yang Berinteraksi Lemah (WIMP), aksiom, dan foton tersembunyi (atau gelap), dan lain-lain.

Pemetaan distribusi materi gelap di seluruh alam semesta juga dapat mengungkap seberapa baik model teoritis alam semesta selaras dengan data observasi. Dalam penelitian terbaru mereka, Hutan Lyman-Alpha mengungkap lokasi materi gelap di alam semesta.

“Materi gelap memiliki gravitasi sehingga memiliki potensi gravitasi,” kata Bird. “Gas hidrogen jatuh ke dalamnya, dan Anda menggunakannya sebagai pelacak materi gelap.”

Tim menggunakan modelnya untuk memantau konsentrasi materi gelap di alam semesta, tetapi juga untuk menyelidiki perbedaan antara pengamatan kosmos dan prediksi teoritis strukturnya.

Bird mengemukakan dua gagasan utama tentang mengapa keduanya mungkin tidak cocok. Satu kemungkinan adalah lubang hitam supermasif di inti galaksi membingungkan perhitungan tim tentang struktur alam semesta, sementara kemungkinan lainnya adalah fisika baru yang belum ditemukan sedang berperan.

“Jika hal ini terbukti pada kumpulan data selanjutnya, maka kemungkinan besar itu adalah partikel baru atau jenis fisika baru, bukan lubang hitam yang mengacaukan perhitungan kita,” kata Bird.

Dengan kata lain, lebih banyak data akan dibutuhkan untuk mengungkap salah satu misteri terbesar yang belum terpecahkan tentang alam semesta. Untungnya, kita memiliki banyak observatorium yang tersedia saat ini dan yang direncanakan untuk mengumpulkan data tersebut.