Міжнародна команда вчених розробила деталізовану обчислювальну модель, яка дозволяє перетворювати вуглекислий газ (CO₂) у метанол — цінну речовину, що широко застосовується у паливній промисловості та виробництві хімікатів. Це може стати кроком до ефективнішого виробництва палива з CO₂ у майбутньому.
Новий підхід до моделювання хімічних реакційДослідники Індійського інституту науки (IISc) створили революційну обчислювальну систему, яка описує 9389 елементарних реакцій на поверхні мідного каталізатора у процесі перетворення CO₂. У попередніх моделях враховувалося лише 152 реакції, що призводило до суттєвих похибок у розрахунках. Завдяки розширенню мережі реакцій, точність моделювання значно зросла, а результати почали відповідати експериментальним даним, визначаючи метанол і чадний газ як основні продукти реакції.
У статті, опублікованій у журналі Nature Communications зазначено, що початкова модель передбачала переважне утворення мурашиної кислоти та значно занижувала реальну конверсію CO₂. Після врахування тисяч додаткових реакцій прогнози суттєво змінилися,
а точність прогнозування основних продуктів суттєво зросла.
Машинне навчання та новий механізм перенесення воднюДля побудови детальної моделі команда спочатку використала квантово-механічні розрахунки для 152 реакцій, після чого застосувала алгоритми машинного навчання для оцінки енергетичних бар’єрів хімічних перетворень. Автоматизовані інструменти допомогли створити мережу, яка охоплює 105 хімічних видів на поверхні каталізатора і майже 9400 реакцій.
Головним відкриттям стало те, що у ряді важливих процесів водень може передаватися проміжним сполукам не лише у вигляді окремих атомів, а й як молекула H₂. Це суперечить традиційним уявленням про механізм перенесення водню у подібних реакціях. Додаткові квантово-механічні розрахунки підтвердили, що такий шлях може бути енергетично вигідним, особливо при взаємодії з проміжними сполуками, що містять кисень.
Головний висновок дослідження простий: щоб зрозуміти, як перетворювати CO₂ на корисні хімікати, іноді потрібно не вигадувати нову реакцію, а знайти ту, яку попередні моделі просто не помітили.
Перспективи для промисловості та подальші дослідження
Відкриття відкриває нові можливості для створення більш ефективних каталізаторів, які можуть покращити конверсію CO₂ у метанол та інші цінні речовини. Дослідники припускають, що каталізатори, здатні сильніше взаємодіяти з молекулярним воднем, можуть бути особливо перспективними для отримання метанолу. Однак ці гіпотези потребують додаткової експериментальної перевірки.
Створена обчислювальна система може застосовуватися і для інших промислово важливих процесів — таких як відновлення CO₂ на різних каталізаторах, перетворення азоту чи розщеплення води. Водночас, слід пам’ятати, що технологія ще далека від масового промислового впровадження — ефективність визначатиметься типом каталізатора, джерелом водню, енергетичними витратами та умовами виробництва.
