Ученые улучшили прогнозирование катализаторов для переработки CO₂
Исследователи создали универсальную модель, которая точнее предсказывает, как работают катализаторы из одиночных атомов в реакции превращения CO₂ в полезные вещества.
Раньше многие факторы, например кислотность среды (pH) и электрическое поле на границе раздела фаз, либо игнорировали, либо слишком упрощали. Теперь их учли.
Результаты опубликованы в издании The Journal of Chemical Physics.
CO₂ — главный виновник парникового эффекта, но его можно перерабатывать в ценные продукты, например в угарный газ (CO), который нужен для синтеза топлива и химикатов.
Проблема в том, что катализаторы капризны: их эффективность сильно зависит от условий, особенно от pH.
Ученые разработали модель, которая учитывает, как pH и электрическое поле влияют на промежуточные стадии реакции. Они проверили 101 вариант катализатора на основе переходных металлов (железо, медь, никель и другие) в разных окружениях — на графене, в органических каркасах, порфиринах. Оказалось, что энергия связывания ключевых промежуточных частиц (∗COOH и ∗CO) подчиняется простой закономерности.
Важное открытие — роль взаимодействия диполей с полем. Оно объясняет, почему одни катализаторы работают лучше при определенном pH. Модель хорошо совпала с экспериментальными данными, и ученые выделили 12 перспективных катализаторов на основе Fe, Cu и Ni, стабильных в широком диапазоне кислотности.
Мы сделали шаг к более точному прогнозированию, объединив теорию с реальными условиями, — говорит Хао Ли, профессор Университета Тохоку. — Теперь можно осознанно проектировать катализаторы для «зеленых» технологий.
Все расчетные структуры выложили в открытый доступ на Digital Catalysis Platform. В планах — улучшить модель, добавить машинное обучение и разобраться в других pH-зависимых реакциях.
Этот подход:
- Сокращает перебор вариантов — вместо тысяч экспериментов можно заранее отсеять бесперспективные катализаторы.
- Объясняет аномалии — например, почему один и тот же катализатор в кислой и щелочной среде ведет себя по-разному.
- Ускоряет переход к углеродной нейтральности — эффективное превращение CO₂ в топливо и сырье снизит выбросы.
Модель все еще требует калибровки под конкретные условия. Например, в реальных промышленных процессах важны не только pH и поле, но и примеси в растворе, температура, давление. Пока это лабораторный инструмент.
Ранее ученые заявили, что угарный газ помогает горожанам справляться со стрессом.
