Identificar rápidamente los catalizadores multielementos de alto rendimiento
Descubrimiento de electrocatalizadores complejos en solución sólida mediante predicción computacional y experimentación de alto rendimiento
Encontrar la mejor composición de materiales entre miles de posibilidades es como buscar una aguja en un pajar. Un equipo internacional está combinando simulaciones por ordenador y experimentos de alto rendimiento para lograrlo.
En un soporte de este tipo se pueden probar cientos de combinaciones de materiales posibles.
© Tobias Löffler
Los catalizadores compuestos por al menos cinco elementos químicos podrían ser la clave para superar las limitaciones anteriores en la producción de hidrógeno verde, pilas de combustible, baterías o reducción deCO2. Sin embargo, encontrar la composición óptima de estos catalizadores multielementos es como buscar una aguja en un pajar: no es posible probar entre miles y millones de combinaciones posibles. Por ello, equipos de investigación de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) y la Universidad de Copenhague han desarrollado un método que permite predecir la composición óptima y confirmar su exactitud con experimentos de alto rendimiento.
Elementos mucho menos costosos que los catalizadores anteriores
Muchas reacciones electroquímicas pasan por varios pasos. Cada una de ellas debe optimizarse en una superficie catalizadora si es posible, pero a cada paso se le aplican requisitos diferentes. "Como los catalizadores anteriores solían tener una sola funcionalidad optimizada, sólo se podía hacer el mejor compromiso posible, y no se podían evitar las pérdidas de energía", explica el profesor Wolfgang Schuhmann, del Centro de Electroquímica de la RUB. Con las soluciones sólidas complejas, se pueden realizar varias funcionalidades simultáneamente en una superficie del catalizador, superando esta limitación. Sin embargo, esto sólo ocurre cuando se combinan al menos cinco elementos diferentes. Hay millones de posibilidades en las que se pueden combinar los porcentajes de los respectivos elementos. El reto anterior de buscar una estrategia para encontrar las propiedades óptimas parece tener respuesta con esta clase de materiales. Ahora la tarea consiste en averiguar qué combinación cumple el objetivo de la mejor manera posible. "Por cierto, esto también puede ser posible con elementos mucho más favorables que con los catalizadores anteriores", subraya Schuhmann.
Hacer y comprobar predicciones
En su trabajo, los equipos de investigación presentan un enfoque que ofrece orientación entre las innumerables posibilidades. "Hemos desarrollado un modelo que puede predecir la actividad para la reducción de oxígeno en función de la composición, lo que permite calcular la mejor composición", explica el profesor Jan Rossmeisl, del Centro de Catálisis de Aleaciones de Alta Entropía de la Universidad de Copenhague.
El equipo de Bochum se encargó de verificar el modelo. "Podemos utilizar un sistema de sputtering combinatorio para producir bibliotecas de materiales en las que cada punto de la superficie del soporte tiene una composición diferente y hay gradientes diferentes pero bien definidos en cada dirección", explica el profesor Alfred Ludwig, de la Cátedra de Nuevos Materiales e Interfaces de la RUB. Mediante una célula de goteo de barrido, se miden automáticamente las propiedades catalíticas de 342 composiciones en una biblioteca de materiales para identificar las tendencias de actividad.
"Descubrimos que el modelo original no hacía justicia a la complejidad y seguía haciendo predicciones imprecisas. Por lo tanto, lo revisamos y lo pusimos a prueba de nuevo experimentalmente", dice el Dr. Thomas Batchelor del equipo de Copenhague, que fue un científico visitante en la RUB como parte de la colaboración. Esta vez, la predicción y la medición experimental mostraron una excelente concordancia, que fue confirmada por otras bibliotecas de materiales.
Esta estrategia permite identificar los complejos mecanismos de las superficies, que constan de cinco elementos químicos, dejando la mayor parte del esfuerzo de detección al ordenador. "Si el modelo resulta ser universalmente aplicable a todas las combinaciones de elementos y también a otras reacciones, se cumpliría de forma realista uno de los mayores retos actuales de esta clase de catalizadores", afirma el equipo.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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