Исследователи факультета прикладных наук и инженерии Университета Торонто и компании Fujitsu разработали новый способ поиска в «химическом пространстве» материалов с желаемыми свойствами.

Этот метод привел к созданию многообещающего нового каталитического материала, который может помочь снизить стоимость производства чистого водорода.

Открытие представляет собой важный шаг к более устойчивым способам хранения энергии, в том числе из возобновляемых, но непостоянных источников, таких как энергия солнца и ветра.

«Увеличение производства того, что мы называем зеленым водородом, является приоритетом для исследователей во всем мире, потому что он предлагает безуглеродный способ хранения электроэнергии из любого источника», — говорит Тед Сарджент, профессор кафедры Эдварда С. Роджерса-старшего. электротехники и вычислительной техники и старший автор новой статьи, опубликованной в Matter .

«Эта работа обеспечивает проверку концепции нового подхода к преодолению одной из ключевых остающихся проблем, а именно нехватки высокоактивных каталитических материалов для ускорения критических реакций».

Сегодня почти весь коммерческий водород производится из природного газа. В процессе образуется двуокись углерода в качестве побочного продукта: если CO 2 выбрасывается в атмосферу, продукт известен как «серый водород», но если CO 2 улавливается и хранится, его называют «голубым водородом».

Напротив, «зеленый водород» — это безуглеродный метод, в котором используется устройство, известное как электролизер, для разделения воды на газообразный водород и кислород. Позже водород можно сжечь или прореагировать в топливном элементе для регенерации электроэнергии. Однако низкая эффективность доступных электролизеров означает, что большая часть энергии на стадии расщепления воды тратится впустую в виде тепла, а не захватывается водородом.

Исследователи во всем мире стремятся найти лучшие каталитические материалы, которые могут повысить эту эффективность. Но поскольку каждый потенциальный каталитический материал может состоять из нескольких различных химических элементов, комбинируемых различными способами, количество возможных комбинаций быстро становится огромным.

«Один из способов сделать это — с помощью человеческой интуиции, исследуя, какие материалы изготовили другие группы, и пробуя что-то подобное, но это довольно медленно», — говорит доктор философии отдела материаловедения и инженерии. кандидат Джехад Абед, один из двух соавторов новой статьи.

«Другой способ — использовать компьютерную модель для моделирования химических свойств всех потенциальных материалов, которые мы могли бы попробовать, начиная с первых принципов. Но в этом случае расчеты становятся действительно сложными, а вычислительная мощность, необходимая для запуска модели, становится огромной. .»

Чтобы найти выход, команда обратилась к развивающейся области квантовых вычислений. Они использовали Digital Annealer, инструмент, созданный в результате многолетнего сотрудничества между U of T Engineering и Fujitsu Research. Это сотрудничество также привело к созданию Исследовательской лаборатории совместного творчества Fujitsu в Университете Торонто.

«Digital Annealer — это гибрид уникального аппаратного и программного обеспечения, предназначенный для высокоэффективного решения задач комбинаторной оптимизации , — говорит Хидетоши Мацумура, старший научный сотрудник Fujitsu Consulting (Canada) Inc.

«Эти проблемы включают поиск наиболее эффективного маршрута между несколькими точками в транспортной сети или выбор набора акций для составления сбалансированного портфеля. Другой пример — поиск катализатора с желаемыми свойствами в различных комбинациях химических элементов. это была идеальная задача для нашего Digital Annealer».

В статье исследователи использовали технику, называемую расширением кластера, для анализа поистине огромного количества потенциальных дизайнов каталитических материалов — они оценивают общее число порядка сотен квадриллионов. Для сравнения, один квадриллион — это примерное количество секунд, которое пройдет за 32 миллиона лет.

Результаты указали на многообещающее семейство материалов, состоящих из рутения, хрома, марганца, сурьмы и кислорода, которые ранее не исследовались другими исследовательскими группами.

Группа синтезировала несколько таких соединений и обнаружила, что лучшие из них продемонстрировали массовую активность — меру количества реакций, которые можно катализировать на массу катализатора, — которая была примерно в восемь раз выше, чем у некоторых из лучших доступных в настоящее время катализаторов. .

У нового катализатора есть и другие преимущества: он хорошо работает в кислых условиях, что является требованием современных конструкций электролизеров. В настоящее время эти электролизеры зависят от катализаторов, изготовленных в основном из иридия, который является редким элементом, получение которого обходится дорого. Для сравнения, рутений, основной компонент нового катализатора, более распространен и имеет более низкую рыночную цену.

Впереди у команды еще много работы: например, они стремятся еще больше оптимизировать стабильность нового катализатора , прежде чем его можно будет испытать в электролизере. Тем не менее, последняя работа служит демонстрацией эффективности нового подхода к поиску химического пространства.

«Я думаю, что в этом проекте интересно то, что он показывает, как можно решать действительно сложные и важные проблемы, объединяя опыт из разных областей», — говорит доктор технических наук в области электротехники и вычислительной техники. кандидат Хитарт Шубиса, другой соавтор статьи.

«В течение долгого времени ученые-материаловеды искали эти более эффективные катализаторы, а ученые-вычислители разрабатывали более эффективные алгоритмы, но эти два усилия были разобщены. Когда мы объединили их, мы смогли найти очень многообещающее решение. Я думаю, что таким образом можно сделать гораздо больше полезных открытий».