Учёные из Индийского научного института (IISc) обнаружили более девяти тысяч ранее неизвестных химических реакций, которые помогут эффективнее превращать углекислый газ в топливо и промышленные химикаты. С помощью машинного обучения и компьютерного моделирования исследователи выявили на медном катализаторе неожиданные химические пути, которые упускали стандартные модели. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Открытие может ускорить разработку более производительных катализаторов для переработки CO2, например, в метанол. Один из перспективных методов – гидрирование, при котором углекислый газ вступает в реакцию с водородом. Однако этот процесс включает огромное количество отдельных реакций на поверхности катализатора. Моделирование каждого шага методами квантовой механики требует колоссальных вычислительных мощностей, поэтому учёные обычно ограничиваются анализом только самых вероятных, по их мнению, реакций, оставляя за рамками сотни потенциально важных этапов.
Чтобы преодолеть это ограничение, команда сначала создала базу данных из 152 химических реакций, рассчитанных с помощью квантово-механических симуляций. Затем на этих данных обучили модели машинного обучения, способные быстро оценивать энергетические барьеры для других возможных реакций. Автоматизированные инструменты проанализировали взаимодействия между 105 химическими соединениями на катализаторе и расширили исходную сеть со 152 до 9389 реакций.
Разница оказалась принципиальной. Модель, основанная на малой сети, неверно определяла основным продуктом муравьиную кислоту вместо метанола и сильно занижала объём переработанного CO2. Когда же учёные включили в расчёты тысячи дополнительных реакций, прогнозы совпали с экспериментальными данными. В расширенной модели расчётный объём конверсии CO2 оказался почти в 40 раз выше, а основными продуктами были верно определены метанол и угарный газ.
Кроме того, анализ полной сети реакций выявил неожиданный механизм участия водорода. Выяснилось, что в нескольких ключевых этапах он может переноситься к промежуточным соединениям в виде целой молекулы H2, а не только в виде отдельных атомов. Это противоречит устоявшимся представлениям в каталитической химии. Открытие предполагает, что катализаторы, которые активнее взаимодействуют с молекулярным водородом, могут значительно ускорить производство метанола. Разработанный вычислительный подход также применим для изучения других промышленных процессов, таких как расщепление воды или восстановление азота.
