Како претворити угљен-диоксид у гориво, вештачка интелигенција зна одговор

Један од обећавајућих приступа рециклажи угљен-диоксида јесте хидрогенизација, процес у којем катализатор помаже да угљен-диоксид реагује са водоником и формира хемијска једињења попут метанола. Међутим, овај процес обухвата огроман број појединачних реакција које се одвијају на површини катализатора.

Симулирање сваког могућег корака помоћу квантне механике захтевало би огромну рачунарску снагу, па се истраживачи обично усредсређују на ограничен број реакција за које верују да су најважније. Такво поједностављивање може довести до тога да стотине потенцијално кључних реакција остану неоткривене.

„Почели смо од проблема који је познат свакоме ко се бави механистичким моделирањем: како да знамо да из наше мреже реакција није изостављен управо онај корак који је пресудан“, каже први аутор студије Ананд Мохан Верма, који је истраживање спровео као постдокторски истраживач у оквиру програма „CV Raman“ на Индијском институту за науку, а сада ради као доцент на Националном институту за технологију Мотилал Нехру у Алахабаду.

Вештачка интелигенција открива хиљаде превиђених хемијских реакција

Како би превазишли ово ограничење, истраживачки тим је најпре помоћу симулација заснованих на квантној механици направио детаљну базу података која је обухватала 152 хемијске реакције. Затим су обучили моделе машинског учења да брзо процењују енергетске баријере које би додатне реакције морале да савладају да би се одвијале.

Користећи аутоматизоване рачунарске алате, научници су испитали могуће реакције које укључују 105 хемијских врста присутних на површини катализатора. Такође су утврдили које хемијске трансформације могу да се одиграју у једном реакционом кораку. Овим приступом почетна мрежа проширена је са свега 152 на чак 9.389 реакција.

Разлика је била значајна. Када су се истраживачи ослањали на мању мрежу реакција, њихов модел је погрешно означио мрављу киселину као главни производ, уместо метанола. Такође је предвидео знатно мањи степен претварања CO₂ него што су показивали експерименти.

„Када смо моделирали процес користећи почетно разматраних 152 реакције, мрежа је погрешно предвидела да је мравља киселина главни производ, а не метанол, и потценила количину претвореног угљен-диоксида. Тек када смо проширили мрежу и укључили хиљаде додатних, раније превиђених реакција, предвиђања су се поклопила са резултатима које смо ми и други истраживачи добили експерименталним путем“, објашњава Анант Говинд Раџан, један од аутора студије и ванредни професор на Одсеку за хемијско инжењерство Индијског института за науку.

Када су научници укључили проширену мрежу реакција у модел који описује брзину одвијања хемијских процеса, предвиђени степен претварања CO₂ повећао се приближно 40 пута у односу на првобитни модел.

Проширени модел је такође исправно идентификовао метанол и угљен-моноксид као главне производе, чиме су његова предвиђања усклађена са експерименталним резултатима.

Неочекивани пут преноса водоника доводи у питање досадашња схватања хемије

Осим што је побољшала предвиђања, знатно већа мрежа реакција открила је и неочекивани механизам који укључује водоник.

У неколико важних корака реакције, водоник је могао директно да се преноси на међупроизводе у облику молекула H₂, уместо да се преноси искључиво преко појединачних атома водоника. Додатни прорачуни засновани на квантној механици потврдили су да овај пут може бити посебно повољан када се водоник преноси на међупроизводе који садрже кисеоник.

Ово откриће доводи у питање дугогодишњу претпоставку о начину на који водоник учествује у каталитичким реакцијама и могло би да пружи драгоцене смернице за развој ефикаснијих катализатора.

„Идеја да се водоник може преносити као нетакнут молекул, без претходног раздвајања на атоме, противречи ономе чему је већина нас учена“, каже коаутор студије Шивам Чатурведи, докторанд на Одсеку за хемијско инжењерство Индијског института за науку.

„Ова могућност откривена је само зато што је мрежа била довољно велика да је обухвати, а запажање се потврдило када смо се вратили и експлицитно израчунали те кораке. То такође указује на могућност да би катализатори који снажније ступају у интеракцију са H₂ могли да подстакну реакционе путеве који воде до стварања метанола.“

Истраживачи верују да би овај неочекивани механизам могао да усмери развој катализатора који ефикасније ступају у интеракцију са молекуларним водоником, што би потенцијално побољшало хемијске реакције одговорне за производњу метанола из CO₂.

Могуће примене обухватају редукцију CO₂ уз употребу различитих катализатора, редукцију азота и разлагање воде. Откривањем хемијских корака које би једноставнији модели могли да превиде, ова техника научницима пружа потпунију слику сложених каталитичких реакција и отвара нове могућности за унапређење процеса који се користе у производњи горива и хемијских једињења.