I årtionden har forskare världen över letat efter alternativ till iridium, ett extremt sällsynt och otroligt dyrt metall som används i produktionen av rena vätgasbränslen.
Nu har ett kraftfullt nytt verktyg hittat ett alternativ – på bara en eftermiddag.
Verktyget, som har uppfunnits och utvecklats vid Northwestern University, kallas megalibrary. Megalibrary är världens första ”datafabrik” för nanomaterial och innehåller miljontals unikt utformade nanopartiklar på ett litet chip.
I samarbete med forskare från Toyota Research Institute (TRI) använde teamet denna teknik för att upptäcka kommersiellt relevanta katalysatorer för väteproduktion. Därefter skalade de upp materialet och visade att det kunde fungera i en enhet – allt på rekordtid.
Med hjälp av en megabibliotek kunde forskarna snabbt screena enorma kombinationer av fyra vanliga, billiga metaller – alla kända för sina katalytiska egenskaper – för att hitta ett nytt material med prestanda som kan jämföras med iridium. Teamet upptäckte ett helt nytt material som i laboratorieexperiment matchade eller i vissa fall till och med överträffade prestandan hos kommersiella iridiumbaserade material, men till en bråkdel av kostnaden.
Denna upptäckt gör inte bara prisvärd grön vätgas möjlig, utan bevisar också effektiviteten hos den nya megabiblioteksmetoden, som kan förändra hur forskare hittar nya material för ett stort antal tillämpningar. Studien är publicerad i Journal of the American Chemical Society.
”Vi har släppt loss det som kan vara världens mest kraftfulla syntesverktyg, som gör det möjligt att söka bland det enorma antalet kombinationer som finns tillgängliga för kemister och materialforskare för att hitta material som är viktiga”, säger Chad A. Mirkin från Northwestern, studiens seniorförfattare och huvuduppfinnare av megabiblioteksplattformen.
”I det här specifika projektet har vi riktat in den kapaciteten mot ett stort problem som energisektorn står inför. Det är: Hur hittar vi ett material som är lika bra som iridium men som finns i större mängder, är mer tillgängligt och mycket billigare? Det nya verktyget gjorde det möjligt för oss att hitta ett lovande alternativ, och att hitta det snabbt.”
Mirkin är en pionjär inom nanoteknik och George B. Rathmann-professor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences, professor i kemisk och biologisk teknik, biomedicinsk teknik och materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering samt verkställande direktör för International Institute for Nanotechnology.
Mirkin ledde arbetet tillsammans med Ted Sargent, Lynn Hopton Davis och Greg Davis-professor i kemi vid Weinberg, professor i elektro- och datateknik vid McCormick och verkställande direktör för Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy.
”Det finns inte tillräckligt med iridium i världen”
I takt med att världen går bort från fossila bränslen och mot en koldioxidfri ekonomi har prisvärd grön vätgas blivit en viktig pusselbit. För att producera ren vätgasenergi har forskare vänt sig till vattensplittring, en process som använder elektricitet för att dela upp vattenmolekyler i sina två beståndsdelar – väte och syre.
Syrekomponenten i denna reaktion, som kallas syreevolutionreaktion (OER), är dock svår och ineffektiv. OER är mest effektiv när forskare använder iridiumbaserade katalysatorer, som har betydande nackdelar. Iridium är sällsynt, dyrt och utvinns ofta som en biprodukt från platinagruvor. Iridium är mer värdefullt än guld och kostar nästan 5 000 dollar per uns.
”Det finns inte tillräckligt med iridium i världen för att tillgodose alla våra beräknade behov”, säger Sargent. ”När vi funderar på att dela vatten för att generera alternativa energiformer finns det inte tillräckligt med iridium ur ett rent försörjningsperspektiv.”
”En hel armé på ett chip”
Mirkin, som introducerade megabiblioteken 2016, kom tillsammans med Sargent fram till att hans revolutionerande verktyg var perfekt för att hitta nya kandidater som kunde ersätta iridium. Medan materialupptäckt traditionellt är en långsam och svår uppgift som kräver mycket trial and error, gör megabiblioteken det möjligt för forskare att hitta optimala sammansättningar i rasande fart.
Det är dags att verkligen hitta de bästa materialen för alla behov – utan kompromisser.”
Varje megabibliotek skapas med hundratusentals små pyramidformade spetsar som trycker enskilda ”prickar” på en yta. Varje prick innehåller en speciellt utformad blandning av metallsalter. När de värms upp reduceras metallsalterna till enskilda nanopartiklar, var och en med en exakt sammansättning och storlek.
”Man kan tänka sig varje spets som en liten person i ett litet laboratorium”, säger Mirkin. ”Istället för att ha en liten person som gör en struktur i taget, har man miljontals personer. Så i princip har man en hel armé av forskare utplacerade på ett chip.”
Och vinnaren är…
I den nya studien innehöll chipet 156 miljoner partiklar, var och en tillverkad av olika kombinationer av rutenium, kobolt, mangan och krom. En robotskanner bedömde sedan hur väl de mest lovande partiklarna kunde utföra en OER. Baserat på dessa tester valde Mirkin och hans team ut de bästa kandidaterna för vidare tester i laboratoriet.
Till slut stod en sammansättning ut: en precis kombination av alla fyra metaller (Ru52Co33Mn9Cr6-oxid). Multimetallkatalysatorer är kända för att framkalla synergistiska effekter som kan göra dem mer aktiva än enkelmetallkatalysatorer.
”Vår katalysator har faktiskt en något högre aktivitet än iridium och utmärkt stabilitet”, säger Mirkin. ”Det är ovanligt eftersom rutenium ofta är mindre stabilt. Men de andra elementen i sammansättningen stabiliserar rutenium.”
Förmågan att screena partiklar för deras slutliga prestanda är en viktig ny innovation. ”För första gången kunde vi inte bara snabbt screena katalysatorer, utan vi såg också att de bästa presterade bra i en uppskalad miljö”, säger Joseph Montoya, seniorforskare vid TRI och medförfattare till studien.
I långvariga tester fungerade den nya katalysatorn i mer än 1 000 timmar med hög effektivitet och utmärkt stabilitet i en tuff sur miljö. Den är också betydligt billigare än iridium – ungefär en sextondel av kostnaden.
”Det finns mycket arbete att göra för att göra detta kommersiellt gångbart, men det är mycket spännande att vi så snabbt kan identifiera lovande katalysatorer – inte bara i laboratorieskala utan även för enheter”, säger Montoya.
Bara början
Genom att generera enorma datamängder om högkvalitativa material lägger megabiblioteksmetoden också grunden för användning av artificiell intelligens (AI) och maskininlärning för att designa nästa generations nya material. Northwestern, TRI och Mattiq, ett spin-off-företag från Northwestern, har redan utvecklat maskininlärningsalgoritmer för att söka igenom megabiblioteken i rekordfart.
Mirkin säger att detta bara är början. Med AI kan metoden skalas upp bortom katalysatorer och revolutionera materialupptäckten för praktiskt taget alla typer av teknik, såsom batterier, biomedicinska enheter och avancerade optiska komponenter.
”Vi kommer att leta efter alla möjliga typer av material för batterier, fusion och mycket mer”, säger han. ”Världen använder inte de bästa materialen för sina behov. Människor hittade de bästa materialen vid en viss tidpunkt, med de verktyg som stod till deras förfogande. Problemet är att vi nu har en enorm infrastruktur byggd kring dessa material, och vi är fast i dem.
”Vi vill vända upp och ner på det. Det är dags att verkligen hitta de bästa materialen för alla behov – utan kompromisser.”
Mer information: 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
