Проблема иридия в производстве чистого водорода решена за один день с помощью новой мегабиблиотеки

Новый материал конкурирует с иридием в реакции расщепления воды при доле стоимости. Авторы: Джин Хуанг и Сиюань Зуо

Десятилетиями исследователи по всему миру искали альтернативы иридию — чрезвычайно редкому и невероятно дорогому металлу, используемому в производстве чистого водородного топлива.

Теперь мощный новый инструмент нашёл такую альтернативу — всего за один день.

Этот инструмент, изобретённый и разработанный в Северо-Западном университете, называется мегабиблиотекой. Первая в мире наноматериальная «фабрика данных», каждая мегабиблиотека содержит миллионы уникально спроектированных наночастиц на одном крошечном чипе.

В сотрудничестве с исследователями из Toyota Research Institute (TRI) команда использовала эту технологию для открытия коммерчески значимых катализаторов производства водорода. Затем они масштабировали материал и продемонстрировали его работоспособность в устройстве — и всё это в рекордные сроки.

С помощью мегабиблиотеки учёные быстро просеяли vast комбинации четырёх распространённых и недорогих металлов — каждый из которых известен своими каталитическими свойствами — чтобы найти новый материал с производительностью, сравнимой с иридием. Команда обнаружила совершенно новый материал, который в лабораторных экспериментах соответствовал, а в некоторых случаях даже превосходил производительность коммерческих материалов на основе иридия, но при доле стоимости.

Это открытие не только делает доступный зелёный водород возможным, но и доказывает эффективность нового подхода с мегабиблиотекой, который может полностью изменить то, как исследователи находят новые материалы для любого числа применений. Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

«Мы выпустили на волю, пожалуй, самый мощный в мире инструмент синтеза, который позволяет искать среди огромного числа комбинаций, доступных химикам и материаловедам, чтобы находить материалы, которые имеют значение», — сказал Чад А. Миркин из Северо-Западного университета, старший автор исследования и главный изобретатель платформы мегабиблиотек.

«В этом конкретном проекте мы направили эту возможность на крупную проблему, стоящую перед энергетическим сектором. А именно: как нам найти материал, который так же хорош, как иридий, но более распространён, более доступен и намного дешевле? Этот новый инструмент позволил нам найти многообещающую альтернативу и найти её быстро».

«В мире не хватает иридия»

По мере того как мир отходит от ископаемого топлива и движется к декарбонизации, доступный зелёный водород стал критически важным элементом головоломки. Для производства чистой водородной энергии учёные обратились к расщеплению воды — процессу, который использует электричество для разделения молекул воды на два составляющих компонента — водород и кислород.

Однако кислородная часть этой реакции, называемая реакцией выделения кислорода (OER), сложна и неэффективна. OER наиболее эффективна, когда учёные используют катализаторы на основе иридия, которые имеют значительные недостатки. Иридий редок, дорог и часто получается как побочный продукт при добыче платины. Более ценный, чем золото, иридий стоит почти 5000 долларов за унцию (~400 000 рублей).

«В мире не хватает иридия, чтобы удовлетворить все наши прогнозируемые потребности», — сказал Сарджент. — «Когда мы думаем о расщеплении воды для генерации альтернативных форм энергии, с чисто supply точки зрения иридия не хватает».

«Целая армия на чипе»

Миркин, который представил мегабиблиотеки в 2016 году, решил вместе с Сарджентом, что поиск новых кандидатов для замены иридия — идеальное применение для его революционного инструмента. В то время как открытие материалов традиционно является медленной и пугающей задачей, заполненной trial and error, мегабиблиотеки позволяют учёным pinpoint оптимальные составы на breakneck скоростях.

Пришло время по-настоящему находить лучшие материалы для каждой потребности — без компромиссов.

Каждая мегабиблиотека создаётся с массивами сотен тысяч крошечных пирамидальных наконечников для печати отдельных «точек» на поверхности. Каждая точка содержит intentionally designed смесь металлических солей. При нагревании металлические соли восстанавливаются, образуя отдельные наночастицы, каждая с точным составом и размером.

«Вы можете думать о каждом наконечнике как о крошечном человеке в крошечной лаборатории», — сказал Миркин. — «Вместо того чтобы иметь одного крошечного человека, создающего одну структуру за раз, у вас есть миллионы людей. Так что у вас basically целая армия исследователей, развёрнутая на чипе».

И победитель…

В новом исследовании чип содержал 156 миллионов частиц, каждая из которых состояла из различных комбинаций рутения, кобальта, марганца и хрома. Затем роботизированный сканер оценил, насколько хорошо наиболее promising частицы могут выполнять OER. На основе этих тестов Миркин и его команда отобрали наиболее производительных кандидатов для дальнейшего тестирования в лаборатории.

В конечном итоге выделился один состав: точная комбинация всех четырёх металлов (оксид Ru₅₂Co₃₃Mn₉Cr₆). Известно, что многометаллические катализаторы вызывают синергетические эффекты, которые могут сделать их более активными, чем однометаллические катализаторы.

«Наш катализатор actually имеет немного более высокую активность, чем иридий, и excellent стабильность», — сказал Миркин. — «Это редкость, потому что often рутений менее стабилен. Но другие элементы в составе стабилизируют рутений».

Возможность скрининга частиц для их ultimate производительности — это major новое innovation. «Впервые мы смогли не только быстро скринить катализаторы, но и увидели, что лучшие из них хорошо работают в масштабируемой setting», — сказал Джозеф Монтойя, старший научный сотрудник TRI и соавтор исследования.

В долгосрочных тестах новый катализатор работал более 1000 часов с высокой эффективностью и excellent стабильностью в harsh кислой среде. Он также dramatically дешевле иридия — примерно одна шестнадцатая стоимости.

«Предстоит много работы, чтобы сделать это коммерчески viable, но очень exciting, что мы можем identify promising катализаторы так быстро — не только в лабораторном масштабе, но и для устройств», — сказал Монтойя.

Только начало

Генерируя massive высококачественные datasets материалов, подход мегабиблиотеки также закладывает основу для использования искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения для проектирования следующего поколения новых материалов. Северо-Западный университет, TRI и Mattiq, spinout компания Северо-Западного университета, уже разработали алгоритмы машинного обучения для просеивания мегабиблиотек с record скоростями.

Миркин говорит, что это только начало. С ИИ подход может масштабироваться beyond катализаторов, чтобы revolutionize открытие материалов для virtually любой технологии, такой как батареи, biomedical устройства и advanced оптические компоненты.

«Мы собираемся искать всевозможные материалы для батарей, синтеза и многого другого», — сказал он. — «Мир не использует лучшие материалы для своих нужд. Люди находили лучшие материалы в определённый момент времени, учитывая tools, доступные им. Проблема в том, что теперь у нас built огромная инфраструктура вокруг этих материалов, и мы застряли с ними.

Мы хотим перевернуть это с ног на голову. Пришло время по-настоящему находить лучшие материалы для каждой потребности — без компромиссов».

Больше информации: Jin Huang et al, Accelerating the Pace of Oxygen Evolution Reaction Catalyst Discovery through Megalibraries, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c08326

Источник: Northwestern University