Расширенная компьютерная модель превращения углекислого газа на медном катализаторе помогла обнаружить ранее упускавшийся способ переноса водорода. В отличие от традиционных расчётов, учитывающих ограниченное число реакций, новый подход показал, что водород в ряде случаев может передаваться промежуточным соединениям непосредственно из молекул H2. Результаты работы индийских исследователей опубликованы в журнале Nature Communications.
Учёные Индийского института науки создали сеть из 9389 химических реакций, сопровождающих превращение CO2 в топлива и другие полезные вещества на поверхности меди. Для сравнения они использовали прежнюю модель, включавшую 152 реакции. Расширенный вариант предсказал примерно в 40 раз более высокую конверсию углекислого газа и правильно назвал основными продуктами метанол и угарный газ.
Обычные модели часто ограничивают число реакций из-за высокой вычислительной сложности квантово-механических расчётов. При гидрировании CO2 водород и катализатор участвуют в цепочке превращений с большим количеством промежуточных соединений и конкурирующих процессов. Поэтому исследователи опасались, что среди исключённых этапов может оказаться реакция, определяющая весь результат.
Сначала команда рассчитала квантово-механическими методами и проверила 152 реакции, а затем обучила модели машинного обучения оценивать энергетические барьеры активации. Эти показатели определяют, насколько легко протекает конкретное превращение. Автоматический анализ 105 химических частиц на поверхности катализатора позволил выявить возможные одностадийные процессы и увеличить сеть до 9389 элементарных реакций.
Небольшая модель ошибочно указывала муравьиную кислоту как главный продукт и занижала степень превращения CO2. После добавления тысяч ранее не учитывавшихся реакций расчёты стали значительно лучше соответствовать экспериментальным данным, пояснил руководитель исследования, доцент кафедры химической инженерии Индийского института науки Анант Говинд Раджан. Экспериментальную проверку провели специалисты Hindustan Petroleum Corporation Limited и Агентства науки, технологий и исследований Сингапура, а модели машинного обучения разработали при участии профессора Амбедкара Дуккипати.
Дополнительные квантово-механические расчёты подтвердили, что перенос целой молекулы водорода особенно выгоден для промежуточных соединений, содержащих кислород. По словам соавтора работы Шивама Чатурведи, это отличается от распространённого представления, согласно которому H2 сначала должен распасться на отдельные атомы. Авторы считают, что катализаторы, сильнее взаимодействующие с молекулярным водородом, потенциально могут способствовать образованию метанола, однако эту возможность ещё предстоит изучить; предложенный метод также можно применять к восстановлению CO2 на других катализаторах, восстановлению азота и расщеплению воды.