Επιστήμονες από το Indian Institute of Science ανέπτυξαν ένα υπολογιστικό πλαίσιο που χαρτογραφεί σχεδόν 10.000 χημικές αντιδράσεις οι οποίες συμμετέχουν στη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε χρήσιμα χημικά και καύσιμα, όπως η μεθανόλη.
Η υδρογόνωση του CO₂ πραγματοποιείται πάνω σε καταλύτες χαλκού και περιλαμβάνει χιλιάδες μικροσκοπικά χημικά βήματα. Μέχρι σήμερα, οι ερευνητές συνήθως επέλεγαν έναν περιορισμένο αριθμό πιθανών αντιδράσεων, καθώς η κβαντομηχανική προσομοίωση όλων των δυνατών διαδρομών απαιτεί τεράστιους υπολογιστικούς πόρους.
Από 152 σε 9.389 αντιδράσεις
Η ομάδα δημιούργησε αρχικά μια βάση δεδομένων με 152 αντιδράσεις, χρησιμοποιώντας κβαντομηχανικούς υπολογισμούς. Στη συνέχεια εκπαίδευσε μοντέλα μηχανικής μάθησης ώστε να προβλέπουν γρήγορα τα ενεργειακά εμπόδια πρόσθετων αντιδράσεων.
Παράλληλα, αυτοματοποιημένα εργαλεία εξέτασαν όλες τις πιθανές αντιδράσεις μεταξύ 105 ειδών που βρίσκονται στην επιφάνεια του καταλύτη. Με αυτόν τον τρόπο, το αρχικό δίκτυο επεκτάθηκε σε 9.389 στοιχειώδεις αντιδράσεις.
«Πώς γνωρίζεις ότι το δίκτυο αντιδράσεων δεν έχει παραλείψει το ένα βήμα που έχει σημασία;» αναρωτήθηκε ο Anand Mohan Verma, πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Η πρόβλεψη συμφώνησε με τα πειράματα
Όταν οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μόνο τις αρχικές 152 αντιδράσεις, το μοντέλο προέβλεπε λανθασμένα ότι το μυρμηκικό οξύ θα ήταν το κύριο προϊόν αντί για τη μεθανόλη, ενώ υποτιμούσε σημαντικά την ποσότητα του CO₂ που μετατρεπόταν.
Με την προσθήκη των χιλιάδων αντιδράσεων, οι προβλέψεις ευθυγραμμίστηκαν με τα πειραματικά δεδομένα. Το διευρυμένο μοντέλο προέβλεψε περίπου 40 φορές μεγαλύτερη μετατροπή CO₂ και αναγνώρισε σωστά τη μεθανόλη και το μονοξείδιο του άνθρακα ως κύρια προϊόντα.
Υδρογόνο χωρίς διάσπαση του μορίου
Το μεγαλύτερο δίκτυο αποκάλυψε επίσης έναν απρόσμενο μηχανισμό. Σε αρκετά σημαντικά βήματα, το υδρογόνο μπορεί να μεταφέρεται στα ενδιάμεσα προϊόντα ως άθικτο μόριο H₂, αντί να διασπάται πρώτα σε μεμονωμένα άτομα.
«Η ιδέα ότι το υδρογόνο μπορεί να μεταφερθεί ως άθικτο μόριο, χωρίς να διασπαστεί πρώτα σε άτομα, έρχεται σε αντίθεση με όσα οι περισσότεροι από εμάς διδαχθήκαμε», δήλωσε ο Shivam Chaturvedi.
Νέες δυνατότητες για καταλύτες
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η προσέγγιση, η οποία συνδυάζει κβαντομηχανικούς υπολογισμούς, μηχανική μάθηση, αυτοματοποιημένη καταγραφή αντιδράσεων και κινητική μοντελοποίηση, μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλες σημαντικές καταλυτικές διεργασίες.
Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται η αναγωγή του CO₂ με διαφορετικούς καταλύτες, η αναγωγή του αζώτου και η διάσπαση του νερού, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για τον σχεδιασμό αποδοτικότερων καταλυτών.
