Czy materiały powszechnie występujące w skorupie ziemskiej mogą katalizować produkcję zielonej energii?
Jednym z największych paradoksów społecznych jest polityczna wola oszczędzania zasobów i ratowania klimatu, podczas gdy najpopularniejsze technologie są energochłonne i uzależnione od rzadkich zasobów i materiałów. Za przykład mogą służyć smartfony i ich zależność od metali ziem rzadkich. Ale to samo dotyczy katalizatorów (substancji zwiększających szybkość reakcji chemicznych), które mają kluczowe znaczenie dla technologii konwersji zielonej energii. Problem związany z katalizatorami stanowił centralny punkt projektu CritCat (Towards Replacement of Critical Catalyst Materials by Improved Nanoparticle Control and Rational Design). Celem projektu jest zastąpienie w katalizie heterogenicznej i elektrochemicznej metali rzadkich (zazwyczaj metali z grupy platynowców (ang. platinum group metals, PGM)) materiałami powszechnie występującymi w skorupie ziemskiej. Przez trzy lata konsorcjum projektu badało właściwości ultramałych nanocząsteczek metali przejściowych (ang. transition metals, TM), aby umożliwić zastosowanie nowych technologii konwersji energii. W tym celu zespół kolejno rozszczepiał wodę na wodór i tlen, aby określić TM, które mogłyby zastąpić katalityczne PGM, syntetyzował próbki, charakteryzował je i wykorzystywał do przeprowadzenia wzorcowych reakcji chemicznych do pomiaru ich aktywności katalitycznej. Ostatecznie opracowano prototypowe elektrolizery najbardziej obiecujących TM pozwalające na zbadanie ich wydajności.
Czy to koniec prób i błędów?
Innowacyjność projektu nie polega jednak wyłącznie na identyfikacji nowych, tańszych materiałów. Zamiast tradycyjnego laboratoryjnego procesu, w którym stosowana jest metoda prób i błędów, zespół zdecydował się na wykorzystanie sztucznej inteligencji i symulacji komputerowych w postaci platformy modelowania materiałów do projektowania katalizatorów. „Zapewniamy pełny ekosystem, począwszy od elektronicznej symulacji struktury (teoria funkcjonału gęstości (ang. density functional theory, DFT)), a skończywszy na rzeczywistych reakcjach, wykorzystujemy algorytmy uczenia maszynowego do usprawniania i obsługi złożonych powierzchni energii potencjalnej (ang. potential energy surfaces, PES) w energetyce reakcji”, wyjaśnia Jaakko Akola, koordynator projektu CritCat z ramienia Uniwersytetu w Tampere. Uczony dodaje: „Platforma wymaga wprowadzenia danych wejściowych z DFT, aby przeszkolić algorytmy w zakresie przewidywania PES”. Kolejnym krokiem jest wprowadzenie innych algorytmów uczenia maszynowego w celu określenia właściwości charakterystycznych (deskryptorów), które są ściśle związane z aktywnością katalityczną. Wraz z powiększaniem się bazy danych DFT, zwiększa się również zdolność platformy do przewidywania właściwości nowych materiałów”.
Przyszłe rozwiązania energetyczne oparte na wodorze
Opracowanie w ramach projektu prototypu elektrolizera jest ważnym krokiem w kierunku produkcji zielonej energii w oparciu o materiały powszechnie występujące w skorupie ziemskiej. Mógłby on ostatecznie rozwiązać m.in. problem nieciągłych dostaw energii słonecznej/wiatrowej poprzez przekształcanie energii elektrycznej w wodór. Stworzona przez naukowców platforma modelowania również nie pokazała jeszcze w pełni swoich możliwości. Po pierwsze – choć platforma modelowania nie stała się jeszcze skuteczniejsza niż metoda prób i błędów – to, że jej moc prognostyczna wzrasta wraz ze wzrostem bazy badanych materiałów i ciągłym rozwojem narzędzi do uczenia maszynowego, jest bardzo obiecujące. A w przeciwieństwie do metody prób i błędów, uzyskane dane na temat związków chemicznych mogą być również wykorzystane do innych badań. Po drugie, zespół nakreślił jedynie pierwsze potencjalne zastosowania. Jak zauważa Akola: „Platforma została zaprojektowana przede wszystkim z myślą o reakcji wydzielania wodoru (ang. hydrogen evolution reaction, HER), która jest istotna dla produkcji energii wodorowej poprzez rozszczepianie wody. Naszym celem było jednak stworzenie infrastruktury modelowania, którą można łatwo zastosować w przypadku innych reakcji chemicznych – zarówno reakcji w fazie gazowej, jak i w elektrochemii”. Właśnie na tym skupiał się zespół projektu od czasu ukończenia projektu CritCat w czerwcu 2019 roku. Obecnie badacze pracują nad katalizatorami i urządzeniami prototypowymi dla ogniw paliwowych, a także nad konwersją CO2 do paliw syntetycznych.
Słowa kluczowe
CritCat, katalizator, metale rzadkie, substancje powszechnie występujące w skorupie ziemskiej, PGM, metale przejściowe, wodór, konwersja energii, platforma modelowania