Kako pretvoriti ugljen-dioksid u gorivo, veštačka inteligencija zna odgovor
Naučnici su otkrili hiljade ranije neotkrivenih hemijskih reakcija koje bi mogle da pomognu u unapređenju pretvaranja ugljen-dioksida u vredna goriva i industrijske hemikalije. Kombinujući mašinsko učenje sa naprednim kompjuterskim simulacijama, istraživači sa Indijskog instituta za nauku identifikovali su 9.389 pojedinačnih reakcija koje se odvijaju na bakarnom katalizatoru, otkrivajući neočekivane hemijske puteve koje su konvencionalni modeli prevideli.
Jedan od obećavajućih pristupa reciklaži ugljen-dioksida jeste hidrogenizacija, proces u kojem katalizator pomaže da ugljen-dioksid reaguje sa vodonikom i formira hemijska jedinjenja poput metanola. Međutim, ovaj proces obuhvata ogroman broj pojedinačnih reakcija koje se odvijaju na površini katalizatora.
Simuliranje svakog mogućeg koraka pomoću kvantne mehanike zahtevalo bi ogromnu računarsku snagu, pa se istraživači obično usredsređuju na ograničen broj reakcija za koje veruju da su najvažnije. Takvo pojednostavljivanje može dovesti do toga da stotine potencijalno ključnih reakcija ostanu neotkrivene.
„Počeli smo od problema koji je poznat svakome ko se bavi mehanističkim modeliranjem: kako da znamo da iz naše mreže reakcija nije izostavljen upravo onaj korak koji je presudan“, kaže prvi autor studije Anand Mohan Verma, koji je istraživanje sproveo kao postdoktorski istraživač u okviru programa „CV Raman“ na Indijskom institutu za nauku, a sada radi kao docent na Nacionalnom institutu za tehnologiju Motilal Nehru u Alahabadu.
Veštačka inteligencija otkriva hiljade previđenih hemijskih reakcija
Kako bi prevazišli ovo ograničenje, istraživački tim je najpre pomoću simulacija zasnovanih na kvantnoj mehanici napravio detaljnu bazu podataka koja je obuhvatala 152 hemijske reakcije. Zatim su obučili modele mašinskog učenja da brzo procenjuju energetske barijere koje bi dodatne reakcije morale da savladaju da bi se odvijale.
Koristeći automatizovane računarske alate, naučnici su ispitali moguće reakcije koje uključuju 105 hemijskih vrsta prisutnih na površini katalizatora. Takođe su utvrdili koje hemijske transformacije mogu da se odigraju u jednom reakcionom koraku. Ovim pristupom početna mreža proširena je sa svega 152 na čak 9.389 reakcija.
Razlika je bila značajna. Kada su se istraživači oslanjali na manju mrežu reakcija, njihov model je pogrešno označio mravlju kiselinu kao glavni proizvod, umesto metanola. Takođe je predvideo znatno manji stepen pretvaranja CO₂ nego što su pokazivali eksperimenti.
„Kada smo modelirali proces koristeći početno razmatranih 152 reakcije, mreža je pogrešno predvidela da je mravlja kiselina glavni proizvod, a ne metanol, i potcenila količinu pretvorenog ugljen-dioksida. Tek kada smo proširili mrežu i uključili hiljade dodatnih, ranije previđenih reakcija, predviđanja su se poklopila sa rezultatima koje smo mi i drugi istraživači dobili eksperimentalnim putem“, objašnjava Anant Govind Radžan, jedan od autora studije i vanredni profesor na Odseku za hemijsko inženjerstvo Indijskog instituta za nauku.
Kada su naučnici uključili proširenu mrežu reakcija u model koji opisuje brzinu odvijanja hemijskih procesa, predviđeni stepen pretvaranja CO₂ povećao se približno 40 puta u odnosu na prvobitni model.
Prošireni model je takođe ispravno identifikovao metanol i ugljen-monoksid kao glavne proizvode, čime su njegova predviđanja usklađena sa eksperimentalnim rezultatima.
Neočekivani put prenosa vodonika dovodi u pitanje dosadašnja shvatanja hemije
Osim što je poboljšala predviđanja, znatno veća mreža reakcija otkrila je i neočekivani mehanizam koji uključuje vodonik.
U nekoliko važnih koraka reakcije, vodonik je mogao direktno da se prenosi na međuproizvode u obliku molekula H₂, umesto da se prenosi isključivo preko pojedinačnih atoma vodonika. Dodatni proračuni zasnovani na kvantnoj mehanici potvrdili su da ovaj put može biti posebno povoljan kada se vodonik prenosi na međuproizvode koji sadrže kiseonik.
Ovo otkriće dovodi u pitanje dugogodišnju pretpostavku o načinu na koji vodonik učestvuje u katalitičkim reakcijama i moglo bi da pruži dragocene smernice za razvoj efikasnijih katalizatora.
„Ideja da se vodonik može prenositi kao netaknut molekul, bez prethodnog razdvajanja na atome, protivreči onome čemu je većina nas učena“, kaže koautor studije Šivam Čaturvedi, doktorand na Odseku za hemijsko inženjerstvo Indijskog instituta za nauku.
„Ova mogućnost otkrivena je samo zato što je mreža bila dovoljno velika da je obuhvati, a zapažanje se potvrdilo kada smo se vratili i eksplicitno izračunali te korake. To takođe ukazuje na mogućnost da bi katalizatori koji snažnije stupaju u interakciju sa H₂ mogli da podstaknu reakcione puteve koji vode do stvaranja metanola.“
Istraživači veruju da bi ovaj neočekivani mehanizam mogao da usmeri razvoj katalizatora koji efikasnije stupaju u interakciju sa molekularnim vodonikom, što bi potencijalno poboljšalo hemijske reakcije odgovorne za proizvodnju metanola iz CO₂.
Moguće primene obuhvataju redukciju CO₂ uz upotrebu različitih katalizatora, redukciju azota i razlaganje vode. Otkrivanjem hemijskih koraka koje bi jednostavniji modeli mogli da previde, ova tehnika naučnicima pruža potpuniju sliku složenih katalitičkih reakcija i otvara nove mogućnosti za unapređenje procesa koji se koriste u proizvodnji goriva i hemijskih jedinjenja.
