Химия28 октября 20263 мин чтенияСергей Лобанов

ИИ нашёл скрытые пути превращения углекислого газа в топливо

Химики из Индийского института науки с помощью машинного обучения расписали почти 10 тысяч элементарных реакций на медном катализаторе. Обновлённая модель наконец совпала с опытом и показала в 40 раз более высокую переработку CO2.

Медный катализатор и лабораторный реактор. Обобщённая фотореалистичная ИИ-иллюстрация.

Углекислый газ можно не только выбрасывать, но и перерабатывать — например, в метанол, жидкое топливо и сырьё для химической промышленности. Для этого CO2 соединяют с водородом на катализаторе, обычно на основе меди. Но что именно происходит на поверхности металла, до конца не понятно: модели химиков упорно расходились с опытом. Учёные из Индийского института науки в Бангалоре нашли причину с помощью машинного обучения. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Модель, которая ошибалась

Химики описывают работу катализатора как сеть элементарных реакций: молекула садится на поверхность, теряет атом, присоединяет другой и так далее. Обычно в такую сеть закладывают около сотни самых очевидных шагов. Исходная модель авторов содержала 152 реакции.

Проблема в том, что она предсказывала неправильный результат. По расчётам главным продуктом должна была быть муравьиная кислота, а в реальных опытах получаются метанол и угарный газ. Да и CO2 модель перерабатывала гораздо хуже, чем катализатор на самом деле.

Перебрать всё

Учёные решили не угадывать, а перебрать все возможные шаги. Компьютерная программа рассмотрела 105 разных частиц, которые могут оказаться на поверхности меди, и составила список всех мыслимых одношаговых реакций между ними. Получилось 9389 реакций.

Вычислить энергию каждой реакции точными методами квантовой химии заняло бы огромное время. Поэтому модели машинного обучения научили быстро предсказывать, насколько трудно идёт каждая реакция. Так удалось оценить всю сеть целиком.

1. Старая модель: 152 реакции — и неверный ответ (муравьиная кислота вместо метанола). Иллюстрация: «Знай с Лобановым» по данным Nature Communications, условно · 2. Программа перебирает все реакции между 105 частицами на меди — получается 9389 шагов. Иллюстрация: «Знай с Лобановым» по данным Nature Communications, условно · 3. Машинное обучение быстро оценивает каждую реакцию, и новая модель совпадает с опытом. Иллюстрация: «Знай с Лобановым» по данным Nature Communications, условно — 1 из 3 — 1. Старая модель: 152 реакции — и неверный ответ (муравьиная кислота вместо метанола). Иллюстрация: «Знай с Лобановым» по данным Nature Communications, условно · 2. Программа перебирает все реакции между 105 частицами на меди — получается 9389 шагов. Иллюстрация: «Знай с Лобановым» по данным Nature Communications, условно · 3. Машинное обучение быстро оценивает каждую реакцию, и новая модель совпадает с опытом. Иллюстрация: «Знай с Лобановым» по данным Nature Communications, условно

В 40 раз больше

Когда расширенную сеть подставили в модель, всё встало на свои места. Главными продуктами оказались метанол и угарный газ — как в опытах. А переработка CO2 выросла примерно в 40 раз по сравнению со старой моделью.

Попутно нашлась неожиданная деталь. Обычно считается, что молекула водорода на меди сразу распадается на два атома, а дальше каждый работает отдельно. Расчёт показал путь, где молекула водорода переходит к другой частице целиком, не разваливаясь.

Старая и новая модель катализатора: число реакций и результат. Схема: «Знай с Лобановым» по данным Nature Communications

Что дальше

Пока это расчёты. Но они подсказывают, какие шаги реакции важнее всего, а значит, как улучшать катализаторы. Проверять эти подсказки предстоит уже в лабораториях. Руководитель работы — Анант Говинд Раджан, первый автор — Ананд Мохан Верма.