Производство водорода и синтетического топлива с помощью электрохимии — один из ключевых способов хранить энергию в будущем.

Но современные электроды в электролизерах работают недостаточно эффективно или быстро разрушаются.

Поиск более активных и долговечных материалов — горячая тема в науке.

Компьютерное моделирование могло бы ускорить этот процесс, сократив годы экспериментов.

Однако моделирование полезно только тогда, когда оно точно отражает реальность. Чтобы описать химические реакции на атомном уровне, нужно учесть множество деталей, и до сих пор это удавалось плохо. Например, даже для простой платиновой поверхности — эталонного материала — расчеты показывали емкость в 10 раз меньше, чем в экспериментах.

Ученые из Теоретического отдела Института Фрица Хабера нашли причину ошибки. Оказалось, проблема в том, что раньше моделирование не учитывало квантовые эффекты. Ланг Ли, ведущий автор исследования, объясняет:

Раньше мы работали с классическими методами, где электроны вели себя как шарики, а не как волны.

Когда команда доктора Николаса Хёрманна добавила квантовую механику в расчеты, цифры совпали с экспериментом.

Результаты опубликованы в издании Journal of the American Chemical Society.

Анализ показал: электроны с поверхности платины «просачиваются» в первые слои воды вокруг электрода. Именно это увеличивает емкость. Теперь, зная причину, можно улучшить моделирование для новых материалов. Например, использовать машинное обучение — нейросети, обученные на квантовых данных, смогут быстро предсказывать поведение электронов без сложных расчетов.

Это исследование закрывает важный пробел в моделировании электродов. Теперь можно:

• Быстрее тестировать новые материалы для водородной энергетики.
• Точно предсказывать их емкость без дорогих экспериментов.
• Разрабатывать электроды, которые не разрушаются со временем.

Особенно ценно, что метод учитывает квантовые эффекты — раньше их игнорировали из-за сложности. Теперь инженеры смогут проектировать более эффективные электролизеры, что критично для зеленой энергетики.

Исследование фокусируется на идеальной платиновой поверхности, но реальные электроды имеют дефекты, примеси и сложную структуру. Пока неясно, как модель поведет себя в таких условиях. Также метод требует больших вычислительных ресурсов — придется оптимизировать его для массового применения.

Ранее ученые выяснили, что происходит с водорослями, когда вода становится соленой.