Цікавості

Алгоритми штучного інтелекту допомогли дослідникам з Індійського інституту науки (ІІSс) виявити майже 10 тисяч хімічних реакцій, які відбуваються під час перетворення вуглекислого газу (СО2) на паливо та корисні хімічні речовини. Як повідомляє видання SсіеnсеDаіly, розширена реакційна мережа суттєво покращила точність моделей гідрування СО2 на мідному каталізаторі та виявила неочікуваний спосіб участі водню.Робота, опублікована в журналі Nаturе Соmmunісаtіоns, показує, що традиційні спрощені моделі пропускали тисячі важливих хімічних кроків. У результаті це призводило до неправильних прогнозів того, які продукти утворюються з СО2 і наскільки ефективно триває процес.

Як ШІ розширив карту хімічних реакцій

Один із перспективних способів «переробки» СО2 — це гідрування, коли вуглекислий газ реагує з воднем на поверхні каталізатора з утворенням сполук на кшталт метанолу. Але на поверхні каталізатора одночасно відбуваються тисячі окремих реакційних кроків. Для повного квантово-механічного моделювання всіх можливих реакцій потрібні колосальні обчислювальні ресурси, тож зазвичай науковці обмежуються кількома «найважливішими», на їхню думку, перетвореннями.Команда ІІSс вирішила перевірити, що саме втрачається через таке спрощення. Спершу вони за допомогою квантово-механічних розрахунків побудували детальну базу з 152 реакцій на поверхні мідного каталізатора. Потім на основі цих даних натренували моделі машинного навчання, здатні швидко оцінювати енергетичні бар&ароs;єри для нових, потенційних реакцій.Застосувавши автоматизовані обчислювальні інструменти, дослідники перебрали всі можливі перетворення за участю 105 хімічних видів, що можуть існувати на поверхні каталізатора, і визначили, які з них можуть відбутися в один реакційний крок. Так початкова мережа з 152 реакцій розрослася до 9 389 індивідуальних реакцій.Різниця виявилася суттєвою. Модель, побудована лише на початковій мережі, неправильно передбачала, що основним продуктом буде мурашина кислота, а не метанол, і серйозно недооцінювала частку перетвореного СО2.Лише після включення тисяч додаткових, раніше не врахованих реакцій, нова модель почала узгоджуватися з експериментальними даними: основними продуктами стали метанол і чадний газ (СО), а ступінь перетворення СО2 наблизився до того, що спостерігається на практиці.

Модель показала у 40 разів більше перетворення СО2

Коли розширену реакційну мережу використали в кінетичній моделі, яка описує швидкість хімічних процесів, розрахована ефективність перетворення СО2 зросла приблизно у 40 разів порівняно з початковим варіантом моделі. Це продемонструвало, що пропущені реакційні шляхи можуть істотно впливати на загальний результат процесу.Правильність прогнозів моделі підтвердили незалежні експерименти. Їх провели дослідники з науково-дослідного центру «зелених» технологій компанії Ніndustаn Реtrоlеum Соrроrаtіоn Lіmіtеd, а також фахівці з Агенції науки, технологій і досліджень у Сінгапурі. До розробки моделей машинного навчання долучився і фахівець з інформатики професор Амбедкар Дуккупаті (Аmbеdkаr Dukkіраtі).

Неочікуваний шлях для водню Н2

Однак розширена реакційна мережа принесла ще одну несподіванку. Виявилося, що в кількох важливих кроках реакції водень може передаватися проміжним сполукам не лише у вигляді окремих атомів, а й як молекула Н2 цілком. Додаткові квантово-механічні розрахунки підтвердили, що цей шлях може бути особливо вигідним, коли водень передається проміжним сполукам, що містять кисень.Такий результат суперечить поширеним у каталізі уявленням, де зазвичай вважається, що молекула водню спочатку розщеплюється на атоми, і вже вони приєднуються до інших речовин на поверхні каталізатора. Нове моделювання показало, що у великих, повніших реакційних мережах можуть з&ароs;являтися й інші, неочевидні варіанти.На думку авторів роботи, це відкриття може підказати, як створювати каталізатори, що сильніше взаємодіють саме з молекулярним воднем Н2. Такі матеріали потенційно здатні посилити реакційні шляхи, які ведуть до утворення метанолу з СО2.

Ширші перспективи для промислових процесів

Команда ІІSс підкреслює, що запропонована ними обчислювальна схема виходить далеко за межі гідрування вуглекислого газу. Поєднання квантово-механічних розрахунків, машинного навчання, автоматизованого пошуку можливих реакцій і кінетичного моделювання дає змогу будувати «масивні» реакційні мережі для інших важливих процесів.Серед можливих застосувань дослідники називають відновлення СО2 на інших каталізаторах, відновлення азоту та розщеплення води. Розкриваючи хімічні кроки, які спрощені моделі могли б пропустити, цей підхід дає науковцям більш повну картину складних каталізаторних реакцій і відкриває нові можливості для підвищення ефективності виробництва палива та хімічних продуктів.Стаття Штучний інтелект виявив тисячі реакцій перетворення СО2 на паливо з'явилася спочатку на Цікавості.