Tak przynajmniej twierdzą przedstawiciele Uniwersytetu Tohoku, którzy zakwestionowali obowiązującą od dziesięcioleci teorię znaną jako zasada Sabatiera. Zgodnie z tym modelem aktywność katalizatora osiąga maksimum w jednym optymalnym punkcie, często przedstawianym w postaci charakterystycznego wykresu przypominającego wulkan. Od wielu lat to właśnie ta koncepcja stanowiła podstawę projektowania nowych materiałów katalitycznych wykorzystywanych zarówno w energetyce, jak i przemyśle chemicznym. Najnowsze badania pokazują jednak, iż w przypadku jednej z najbardziej obiecujących grup katalizatorów reguła ta nie obowiązuje.
Czytaj też: Włosi wsadzili ołów do reaktora bez paliwa. Atom przyszłości zaczyna się od reaktora bez atomu
Chodzi o katalizatory dwuatomowe, znane jako DAC (dual-atom catalysts). W przeciwieństwie do katalizatorów jednoatomowych wykorzystują one pary współpracujących ze sobą atomów metali. Eksperymenty od kilku lat sugerowały, że rozwiązanie to zapewnia lepszą wydajność podczas reakcji redukcji tlenu, która jest jednym z najważniejszych procesów zachodzących w ogniwach paliwowych. Dotychczas nie było jednak wiadomo, dlaczego materiały te osiągają tak dobre wyniki.
Aby znaleźć odpowiedź, naukowcy przeanalizowali dane dotyczące ponad 200 różnych katalizatorów dwuatomowych. W badaniach wykorzystali zaawansowane symulacje komputerowe, modelowanie mikrokinetyczne oraz algorytmy uczenia maszynowego. Analiza wykazała, że katalizatory dwuatomowe działają według zupełnie innego mechanizmu niż ich jednoatomowe odpowiedniki. Zamiast jednego optymalnego punktu aktywności posiadają dwa obszary maksymalnej wydajności. Badacze określają do zjawisko mianem podwójnego optimum Sabatiera.
Co dokładnie się wydarzyło? Członkowie zespołu badawczego zauważyli, że podczas reakcji redukcji tlenu zmienia się etap ograniczający szybkość całego procesu. W zależności od właściwości materiału największy wpływ na wydajność mogą mieć różne reakcje chemiczne zachodzące na powierzchni katalizatora. To właśnie ta zmiana prowadzi do powstania dwóch niezależnych maksimów aktywności zamiast jednego, jak zakładała klasyczna teoria. Zdaniem autorów badań oznacza to konieczność całkowitego przemyślenia sposobu projektowania katalizatorów dla ogniw paliwowych i innych technologii elektrochemicznych.
Czytaj też: Ten niepozorny metal zastępuje platynę. Tańszy katalizator odmieni recykling tworzyw sztucznych
Autorzy tych ustaleń połączyli modele uczenia maszynowego z danymi eksperymentalnymi i obliczeniami kwantowymi, tworząc narzędzie pozwalające przewidywać, które konfiguracje atomów mają największy potencjał. Dzięki temu możliwe jest znacznie szybsze identyfikowanie obiecujących materiałów bez konieczności prowadzenia kosztownych i czasochłonnych eksperymentów laboratoryjnych dla każdej możliwej kombinacji pierwiastków. W praktyce dokonane postępy mogą zaowocować zastosowaniami w produkcji wodoru, redukcji dwutlenku węgla czy innych procesach związanych z magazynowaniem i przetwarzaniem energii.
Źródło: Uniwersytet Tohoku
