Алхимия XXI века: открыт рецепт сплава, который превратит CO₂ в топливо
Высокоэнтропийные сплавы — это материалы, где можно гибко настраивать состав и структуру поверхности, создавая новые активные центры для ускорения реакции восстановления CO₂.
Это ключевой процесс для устойчивой энергетики. Но есть проблема: из-за сложной поверхности и склонности элементов к расслоению реальный состав поверхности часто отличается от объема материала. Это мешает точному прогнозированию свойств и затрудняет расчеты, например, методами квантовой химии.
Недавно группа ученых под руководством Лэйцзинь Го (Сианьский университет Цзяотун) и Цзыюнь Ван (Оклендский университет) предложили новый вычислительный подход. Они объединили два метода:
- Моделирование методом Монте-Карло и молекулярной динамики, чтобы предсказать, какие элементы выходят на поверхность.
- Графовую нейросеть (GNN), которая оценивает активность каждого участка поверхности, представляя молекулы как «псевдоатомы».
Такой подход связал микроскопическую среду поверхности с каталитической активностью, которую можно предсказать, зная только общий состав сплава.
Исследование показало, что элементы по-разному стремятся к поверхности: Ag > Au > Al > Cu > Pd > Pt.
Нейросеть точно предсказала энергию промежуточных реакций (ошибка всего 0,08–0,15 эВ), что позволило оценить активность каждого участка.
Результаты опубликованы в издании Chinese Journal of Catalysis.
Что выяснилось
- Медь (Cu), серебро (Ag) и алюминий (Al) усиливают образование CO и C₂.
- Золото (Au), палладий (Pd) и платина (Pt), наоборот, тормозят реакцию.
- Для образования муравьиной кислоты (HCOOH) и конкурирующего выделения водорода тоже есть свои закономерности.
Сопоставив прогнозы по расслоению и активности, ученые нашли оптимальные составы сплавов, которые могут работать лучше, чем чистая медь.
Этот метод — шаг к осознанному дизайну катализаторов. Вместо дорогостоящего перебора вариантов можно заранее предсказать, как изменится активность при добавлении того или иного элемента. Особенно ценно, что подход учитывает реальную неоднородность поверхности, а не идеализированные модели.
Где пригодится
- В производстве «зеленых» топлив — например, если нужно эффективно превращать CO₂ в полезные вещества.
- В создании новых сплавов для других реакций, где важна точная настройка поверхности.
Главный вопрос — насколько модель устойчива к экспериментальным отклонениям. В реальности поверхность может меняться под действием температуры, давления или примесей. Хорошо бы проверить предсказания на реальных образцах.
Ранее ученые нашли новый способ улучшить сплавы.
