Maszyny pomogły chemikom. CO2 będzie można zamienić w paliwo

Sztuczna inteligencja pomogła naukowcom odkryć, że dobrze znana reakcja zamiany dwutlenku węgla w paliwo przebiega znacznie bardziej skomplikowanymi drogami, niż dotychczas zakładano. Zespół z Indii zidentyfikował 9389 możliwych reakcji chemicznych i znalazł wśród nich zaskakujący sposób wykorzystania wodoru. Odkrycie może w przyszłości pomóc w opracowaniu wydajniejszych metod produkcji metanolu z CO2.

Badacze nie musieli jednak wymyślać nowego paliwa ani nieznanej substancji. Wystarczyło ponownie przyjrzeć się reakcjom zachodzącym na powierzchni miedzi, która od dawna jest wykorzystywana w katalizie. Okazało się, że uproszczone modele pomijały tak wiele możliwych przemian, że potrafiły nawet błędnie przewidywać główny produkt całego procesu.

Przekształcanie dwutlenku węgla w metanol jest jednym z pomysłów na ponowne wykorzystanie CO2, który zamiast trafiać do atmosfery, mógłby stać się surowcem dla przemysłu chemicznego. Metanol to prosty alkohol, który może służyć jako paliwo, nośnik energii oraz składnik wykorzystywany przy produkcji innych substancji.

Aby go otrzymać z CO2, można przeprowadzić reakcję uwodornienia. Polega ona na połączeniu dwutlenku węgla z wodorem w obecności katalizatora, czyli substancji ułatwiającej przebieg reakcji. W tym przypadku naukowcy skupili się na miedzi, której powierzchnia umożliwia zachodzenie kolejnych przemian chemicznych.

Największy problem polega jednak na tym, że cały proces nie odbywa się w jednym kroku. Na powierzchni katalizatora powstają związki pośrednie, które mogą rozpadać się, łączyć z wodorem lub przekształcać w następne substancje. Ostateczny produkt zależy od tego, jakie reakcje zachodzą i które z nich przebiegają najszybciej.

Dokładne przeanalizowanie wszystkich możliwości jest niezwykle trudne. Obliczenia wykorzystujące mechanikę kwantową pozwalają przewidywać zachowanie atomów i cząsteczek, ale wymagają ogromnej mocy obliczeniowej. Właśnie dlatego naukowcy zwykle wybierają ograniczoną liczbę reakcji, które uznają za najważniejsze.

Badacze z Indian Institute of Science w Bengaluru postanowili sprawdzić, jak wiele informacji może umykać przy takim podejściu. Punktem wyjścia było 152 reakcji przeanalizowanych za pomocą metod kwantowych. Następnie wykorzystano uczenie maszynowe i automatyczne wyszukiwanie możliwych przemian, aby znacząco rozbudować model.

W rezultacie powstała sieć obejmująca 9389 elementarnych reakcji pomiędzy 105 rodzajami substancji występujących na powierzchni katalizatora. Nie oznacza to, że każdą z nich zaobserwowano osobno podczas eksperymentu. Chodzi o możliwe przemiany chemiczne uwzględnione w modelu, który pozwolił dokładniej odtworzyć przebieg całego procesu.

Największa różnica pojawiła się tak naprawdę wtedy, gdy naukowcy porównali wyniki obliczeń z rzeczywistymi doświadczeniami. Model oparty na 152 reakcjach przewidywał, że głównym produktem powinien być kwas mrówkowy. Tymczasem eksperymenty wskazywały na istotną rolę metanolu i tlenku węgla.

Po uwzględnieniu tysięcy dodatkowych przemian obraz całego procesu zmienił się. Nowy model prawidłowo wskazał metanol i tlenek węgla jako główne produkty, a przewidywana konwersja CO2 wzrosła około 40 razy względem wcześniejszych obliczeń.

Naukowcy nie stworzyli jednak katalizatora, który produkuje 40 razy więcej paliwa. Jest to wynik porównania dwóch modeli komputerowych. Bardziej rozbudowany model znacznie lepiej odtwarzał przebieg reakcji obserwowany podczas doświadczeń.

Weryfikację eksperymentalną prowadzono przy współpracy z badaczami z Hindustan Petroleum Corporation Limited oraz singapurskiej Agency for Science, Technology and Research. Dzięki temu można było sprawdzić, czy wyniki symulacji odpowiadają rzeczywistemu zachowaniu układu chemicznego.

Z badania wynika, że nawet stosunkowo rozbudowane modele mogą prowadzić do błędnych wniosków, jeżeli pomijają kluczowe reakcje. W tym przypadku problem nie wynikał wyłącznie z niedokładności obliczeń, lecz z niepełnej listy przemian, które brano pod uwagę.

Najbardziej intrygujące odkrycie dotyczy jednak samego wodoru. W klasycznym opisie wielu reakcji katalitycznych zakłada się, że cząsteczka H2 najpierw rozpada się na pojedyncze atomy wodoru, które następnie uczestniczą w kolejnych przemianach chemicznych.

Rozbudowana analiza ujawniła również inną możliwość. W niektórych etapach wodór może uczestniczyć w reakcji bez wcześniejszego rozdzielenia cząsteczki H2 na pojedyncze atomy na powierzchni katalizatora. Dotyczy to zwłaszcza przemian związków pośrednich zawierających tlen.

Sposób dostarczania wodoru do reagujących substancji wpływa na energetykę całego procesu. Każda reakcja musi pokonać określoną barierę energetyczną, aby mogła zajść. Im łatwiej cząsteczki pokonują taką przeszkodę, tym większa szansa, że dana przemiana będzie zachodziła w istotnym tempie.

Właśnie tutaj szczególnie przydała się sztuczna inteligencja. Model uczenia maszynowego pozwolił przewidywać bariery energetyczne ogromnej liczby potencjalnych reakcji, bez konieczności wykonywania osobnych, kosztownych obliczeń kwantowych dla każdej z nich. Następnie wybrane, zaskakujące mechanizmy sprawdzono dokładniejszymi metodami.

Wyniki potwierdziły, że bezpośredni udział cząsteczkowego wodoru może być energetycznie korzystny w określonych przemianach. To z kolei sugeruje, że odpowiednie projektowanie katalizatorów mogłoby ułatwiać powstawanie metanolu.

Metanol otrzymywany z dwutlenku węgla interesuje naukowców przede wszystkim dlatego, że pozwala ponownie wykorzystać węgiel zawarty w gazie cieplarnianym. Zamiast opierać produkcję wszystkich związków organicznych na surowcach kopalnych, część potrzebnego węgla można pozyskiwać z wcześniej wychwyconego CO2.

Sam pomysł nie jest jednak całkowicie nowy. Na Spider’s Web opisywaliśmy już sztuczny liść, który wykorzystuje energię słoneczną do produkcji metanolu z wody i dwutlenku węgla. Tam naukowcy skupili się na konstrukcji urządzenia i skuteczności zamiany światła w paliwo. Indyjski zespół podszedł do problemu od innej strony, próbując dokładniej zrozumieć reakcje zachodzące na powierzchni katalizatora.

Ma to wszystko tak naprawdę ogromne znaczenie dla dalszego, płynnego rozwoju technologii. Jeśli wiadomo, które przemiany chemiczne rzeczywiście prowadzą do pożądanego produktu, można świadomiej dobierać materiały i warunki pracy instalacji. Zamiast sprawdzać przypadkowe rozwiązania, naukowcy mogą skoncentrować się na tych, które mają największą szansę poprawić wydajność.

Przeczytaj także:

Pozostaje jednak zasadniczy problem energetyczny. Dwutlenek węgla nie jest paliwem, z którego można po prostu odzyskać energię. Jego przekształcenie w metanol wymaga jej dostarczenia, między innymi w postaci wodoru. Korzyści klimatyczne będą więc zależały od sposobu produkcji tego wodoru, źródła energii zasilającej instalację i całego bilansu emisji.

Dlatego równie ważne pozostają technologie umożliwiające otrzymywanie wodoru bez wykorzystywania paliw kopalnych. Polscy naukowcy uczestniczyli już w opracowaniu fotokatalizatora wytwarzającego wodór z wody pod wpływem światła. Połączenie takich rozwiązań z wydajniejszym wykorzystaniem CO2 mogłoby w przyszłości stworzyć podstawy dla produkcji paliw syntetycznych o niższym śladzie węglowym.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI