Еден од ветувачките пристапи за рециклирање на јаглеродниот диоксид е хидрогенизацијата, процес во кој катализаторот помага јаглеродниот диоксид да реагира со водородот и да формира хемиски соединенија како метанол. Меѓутоа, овој процес опфаќа огромен број поединечни реакции што се одвиваат на површината на катализаторот.

Симулирањето на секој можен чекор со помош на квантната механика би барало огромна компјутерска моќ, па истражувачите обично се фокусираат на ограничен број реакции за кои веруваат дека се најважни. Ваквото поедноставување може да доведе до тоа стотици потенцијално клучни реакции да останат неоткриени.

„Почнавме од проблем што му е познат на секој што се занимава со моделирање на реакциските механизми: како да знаеме дека од нашата мрежа на реакции не е изоставен токму оној чекор што е пресуден“, вели првиот автор на студијата, Ананд Мохан Верма, кој го спровел истражувањето како постдокторски истражувач во рамките на програмата „CV Raman“ на Индискиот институт за наука, а сега работи како доцент на Националниот институт за технологија Мотилал Нехру во Алахабад.

Вештачката интелигенција открива илјадници превидени хемиски реакции

За да го надмине ова ограничување, истражувачкиот тим најпрво со помош на симулации засновани на квантната механика создал детална база на податоци што опфаќала 152 хемиски реакции. Потоа истражувачите обучиле модели за машинско учење брзо да ги проценуваат енергетските бариери што дополнителните реакции би морале да ги совладаат за да се одвиваат.

Користејќи автоматизирани компјутерски алатки, научниците ги испитале можните реакции што вклучуваат 105 хемиски видови присутни на површината на катализаторот. Исто така, утврдиле кои хемиски трансформации можат да се случат во еден реакциски чекор. Со овој пристап, почетната мрежа била проширена од само 152 на дури 9.389 реакции.

Разликата била значителна. Кога истражувачите се потпирале на помалата мрежа на реакции, нивниот модел погрешно ја означил мравјата киселина како главен производ, наместо метанолот. Исто така, предвидел значително понизок степен на претворање на CO₂ отколку што покажувале експериментите.

„Кога го моделиравме процесот користејќи ги првично разгледуваните 152 реакции, мрежата погрешно предвиде дека мравјата киселина е главниот производ, а не метанолот, и ја потцени количината на претворен јаглероден диоксид. Дури кога ја проширивме мрежата и вклучивме илјадници дополнителни, претходно превидени реакции, предвидувањата се совпаднаа со резултатите што ние и други истражувачи ги добивме по експериментален пат“, објаснува Анант Говинд Раџан, еден од авторите на студијата и вонреден професор на Одделот за хемиско инженерство при Индискиот институт за наука.

Кога научниците ја вклучиле проширената мрежа на реакции во моделот што ја опишува брзината на одвивање на хемиските процеси, предвидениот степен на претворање на CO₂ се зголемил приближно 40 пати во однос на првичниот модел.

Проширениот модел, исто така, правилно ги идентификувал метанолот и јаглеродниот моноксид како главни производи, со што неговите предвидувања биле усогласени со експерименталните резултати.

Неочекуван пат на пренос на водородот ги доведува во прашање досегашните сфаќања во хемијата

Освен што ги подобрила предвидувањата, значително поголемата мрежа на реакции открила и неочекуван механизам што го вклучува водородот.

Во неколку важни чекори на реакцијата, водородот можел директно да се пренесува на меѓупроизводите во облик на молекули H₂, наместо да се пренесува исклучиво преку поединечни атоми на водород. Дополнителните пресметки засновани на квантната механика потврдиле дека овој пат може да биде особено поволен кога водородот се пренесува на меѓупроизводи што содржат кислород.

Ова откритие ја доведува во прашање долгогодишната претпоставка за начинот на кој водородот учествува во каталитичките реакции и би можело да обезбеди драгоцени насоки за развој на поефикасни катализатори.

„Идејата дека водородот може да се пренесува како недопрен молекул, без претходно раздвојување на атоми, е спротивна на она што повеќето од нас го учеле“, вели коавторот на студијата, Шивам Чатурведи, докторанд на Одделот за хемиско инженерство при Индискиот институт за наука.

„Оваа можност беше откриена само затоа што мрежата беше доволно голема за да ја опфати, а забележаното се потврди кога се навративме и експлицитно ги пресметавме тие чекори. Тоа укажува и на можноста катализаторите што посилно стапуваат во интеракција со H₂ да ги поттикнат реакциските патишта што водат до создавање метанол.“

Истражувачите веруваат дека овој неочекуван механизам би можел да го насочи развојот на катализатори што поефикасно стапуваат во интеракција со молекуларниот водород, што потенцијално би ги подобрило хемиските реакции одговорни за производството на метанол од CO₂.

Можните примени опфаќаат редукција на CO₂ со употреба на различни катализатори, редукција на азот и разложување на вода. Со откривање хемиски чекори што поедноставните модели би можеле да ги превидат, оваа техника им обезбедува на научниците поцелосна слика за сложените каталитички реакции и отвора нови можности за унапредување на процесите што се користат во производството на горива и хемиски соединенија.