Мировые потребности в энергии вырастут в два-три раза в течение следующих 30 лет – по мере того, как численность населения Земли сокращается примерно с 20 до 30 лет. 7.От 3 миллиардов сегодня до примерно. 9.7 миллиардов к 2050 году, по данным ООН.
Недостаточно расширить возможности солнечной и ветровой энергии как заменителя ископаемого топлива.
Оба источника удовлетворяют потребность в экологической устойчивости, но они нестабильны из-за их зависимости от непредсказуемых погодных условий.
Результатом этой нестабильности является то, что катализаторы и электролиз становятся все более важными в надежде, что они смогут обеспечить стабильное энергоснабжение.
Вдобавок к этому катализаторы во многом используются в химической промышленности; от преобразования вредных выхлопных газов автомобилей до преобразования азота из атмосферы в удобрения.
Еще долгий путь
"Еще предстоит пройти долгий путь в разработке катализаторов, которые можно использовать для электронных.грамм. топливные элементы, хранение солнечной и ветровой энергии и новые экологически чистые виды топлива. Катализаторы, которые существуют сегодня, недостаточно хороши, чтобы обеспечить зеленый переход », – отмечает профессор Ян Россмейсл с кафедры химии Копенгагенского университета.
С помощью двух аспирантов Джека К. Педерсен и Томас А.А. Бэтчелор, он ищет «знаменитую иголку в стоге сена» среди катализаторов нового поколения.
Но это непростая задача
«Трудно найти правильный сплав металлов для катализаторов среди бесконечного множества возможностей, несмотря на современные суперкомпьютеры.
На поиск лучших сплавов уйдет вся жизнь. Мы используем так называемые высокоэнтропийные сплавы, которые представляют собой случайные смеси множества различных элементов, в качестве отправной точки, и мы разработали компьютерные модели на основе машинного обучения. Таким образом, становится легче отсортировать бесчисленное множество комбинаций сплавов и найти те, которые могут решить проблему эффективного преобразования и хранения солнечной и ветровой энергии », – подчеркивает профессор Ян Россмейсл.
Катализаторы нового поколения
Химическая промышленность использует катализаторы для эффективных процессов, оставаясь безвредными для окружающей среды, от преобразования выхлопных газов автомобилей до производства удобрений с использованием азота из атмосферы. Среди этих химических процессов есть некоторые, в которых еще нет эффективных катализаторов, и они потребуют решения в ближайшем будущем. Например, преобразование диоксида углерода в полезные вещества для смягчения последствий изменения климата и реакция между кислородом и водородом с образованием воды для использования в топливных элементах.
Роль катализатора состоит в том, чтобы способствовать превращению химических веществ в химической реакции, а эффективный катализатор может сделать это быстро и с небольшими потерями энергии. Очень сложно предсказать, какой материал будет действовать как хороший катализатор химической реакции, и именно для этой проблемы мы предлагаем решение с помощью нового класса материалов, так называемых высокоэнтропийных сплавов.
Сплавы с высокой энтропией представляют собой смесь пяти или более металлов, которые только недавно использовались в качестве катализаторов. Мы представляем первое теоретическое исследование того, как систематически извлекать выгоду из высокоэнтропийных сплавов, чтобы обеспечить лучший кандидат на сплав, который может катализировать желаемую химическую реакцию.
Что отличает высокоэнтропийные сплавы от других катализаторов, так это то, что они имеют поверхность с бесчисленным множеством локальных конфигураций различных атомов, дающих начало как можно большему количеству локальных химических сред. Представьте себе кубик Рубика: когда он собран, он состоит из шести граней, каждая из которых имеет свой цвет, представляющий чистые металлы.
Смешайте кубик Рубика, и каждая грань теперь состоит из множества цветов. На каждой грани шесть цветов можно расположить по-разному. Девять квадратов представляют собой локальную комбинацию шести различных металлов на поверхности высокоэнтропийного сплава. Некоторые комбинации атомов на поверхности будут слабо связывать реагирующие химические вещества, а с другими – прочно.
Для тех комбинаций атомов, где прочность связи идеальна, каталитическая активность будет наибольшей, и эти комбинации будут определять общую каталитическую активность.
Вычисляя силу связи химических веществ для всех конфигураций атомов, мы можем определить наилучшее химическое окружение и в какой пропорции смешанные металлы присутствуют на атомном уровне.
Однако здесь мы сталкиваемся с проблемой, заключающейся в том, что для расчета прочности связи для всех комбинаций потребуется время жизни, даже с использованием современных методов квантовой механики. Мы решили эту проблему, вычислив силу сцепления случайно выбранного подмножества возможных комбинаций, а затем использовали машинное обучение для расчета прочности сцепления для всего диапазона комбинаций всего за несколько секунд.
Когда сила связи всех локальных комбинаций атомов на поверхности известна, мы можем настроить соотношение включенных металлов, чтобы повысить вероятность того, что лучшая прочность связи будет встречаться как можно чаще. Это оптимальное соотношение смешивания можно рассчитать, и в результате будут получены совершенно новые, непроверенные катализаторы.
Таким образом, метод дает нам систематический способ предложения катализаторов, который зависит только от того, какие металлы мы включаем. Мы использовали этот метод, чтобы предложить катализаторы реакции между кислородом и водородом, образующей воду, но область его применения очень широка, поэтому в настоящее время мы работаем над несколькими другими химическими реакциями, а также улучшаем приближения и допущения метода, чтобы мы могли предложить сплавы, которые, как мы надеемся, превышают активность современных катализаторов.
Примечание
Катализатор и электролиз: роль катализатора состоит в том, чтобы способствовать превращению химических веществ в химической реакции, а эффективный катализатор способен обеспечить быстрый, недорогой и эффективный путь для реакции. Электролиз – это метод разделения вещества с помощью электричества.