Полностью возобновляемая чистая энергия, из которой вода была бы единственным отходом, становится реальностью

Используя свои знания в области химии, теоретической физики и искусственного интеллекта, команда сейчас отлаживает рецепт, искренне веря в то, что, казалось бы, невозможное однажды станет реальностью.

Первые работы в этой области, о которых было сообщено чуть менее двух лет назад, дали многообещающие результаты. Это обещание было значительно усилено в увлекательной работе, только что опубликованной в ведущем журнале, Cell Reports Physical Science.

Энергия песни — теория и проблема

Уменьшение количества углекислого газа в человечестве₂) выбросы, возможно, являются величайшей проблемой, стоящей перед цивилизацией 21-го века, особенно с учетом роста мирового населения и связанных с этим повышенных потребностей в энергии.

Одним из маяков надежды является идея о том, что мы могли бы использовать возобновляемую электроэнергию для разделения воды (H₂O) для производства экологически чистого, богатого энергией водорода (H₂), которые затем можно было бы хранить и использовать в топливных элементах. Это особенно интересная перспектива в ситуации, когда источники энергии ветра и солнца производят электричество для разделения воды, поскольку это позволит нам хранить энергию для использования, когда эти возобновляемые источники недоступны.

Однако основная проблема заключается в том, что вода очень устойчива и требует большого количества энергии для разрушения; нет смысла использовать гораздо больше энергии, чем вы получаете в результате такого усилия. Особенно серьезным препятствием, которое необходимо устранить, является это «перенапряжение», связанное с производством кислорода, которое является узким местом реакции при расщеплении воды с образованием H₂.

Хотя некоторые элементы, такие как рутений или иридий, эффективны при расщеплении воды, они непомерно дороги и их мало для коммерциализации во всем мире. Другие, более дешевые варианты, как правило, страдают с точки зрения их эффективности и / или надежности. Фактически, в настоящее время никто не обнаружил катализаторов, которые были бы экономичными и надежными в течение значительного периода времени.

Итак, как же разгадать такую ​​загадку? Остановитесь, прежде чем вы представите себе лабораторные халаты, очки, мензурки и забавные запахи; эта работа полностью выполнялась с помощью компьютера.

Объединив химиков и физиков-теоретиков, команда Trinity, стоящая за последним прорывом, объединила химический интеллект с очень мощными компьютерами, чтобы найти один из «святых Граалей» катализа.

Что нашла команда?

Затем: Два года назад команда обнаружила, что наука недооценивала активность некоторых из наиболее реактивных катализаторов, и в результате казалось, что устрашающее препятствие «перенапряжения» легче преодолеть. Более того, при уточнении давно принятой теоретической модели, используемой для прогнозирования эффективности катализаторов расщепления воды, они значительно упростили поиск неуловимого катализатора «зеленой пули».

Теперь: их последующие поиски, проведенные с использованием автоматизированного комбинаторного подхода и передового квантово-химического моделирования, выявили девять распространенных на Земле комбинаций металлов и лигандов (которые склеивают их вместе для создания катализаторов) как многообещающие выводы для экспериментальных исследований.

Особо перспективными для команды выделяются три металла (хром, марганец, железо). Тысячи катализаторов, основанных на этих ключевых компонентах, теперь можно поместить в плавильный котел и оценить их способности по мере продолжения охоты за магической комбинацией.

Макс Гарсия-Мельчор, доцент кафедры химии Университета Тринити, является старшим автором этого знаменательного исследования. Он сказал:

«Два года назад наша работа сделала охоту за святым Граалем катализаторов, кажется, немного более управляемой. Теперь мы сделали еще один большой шаг вперед, значительно сузив область поиска и ускорив поиск.

«До недавнего времени мы искали крошечную иголку в огромном стоге сена. Уменьшив размер стога сена, мы скопили много оставшегося сена. Чтобы оценить масштаб, два года назад мы отобрали 17 катализаторов. Теперь мы проверили 444 и полагаем, что совсем скоро у нас появится база данных с 80 000 «проверяемых» катализаторов.

«Как мы можем жить устойчиво?» Это, пожалуй, самый большой и самый насущный вопрос, стоящий перед обществом 21 века. Я считаю, что исследователи из всех дисциплин могут помочь ответить на этот вопрос, и мы чувствуем, что особая сила нашего стремления — это междисциплинарный подход, который мы принимаем ».

Майкл Крейг, доктор философии. Кандидат в Тринити, является первым автором журнальной статьи. Добавил он:

«Кажется обнадеживающим, что наука может предоставить миру полностью возобновляемую энергию, и эта последняя работа обеспечивает теоретическую основу для оптимизации устойчивых способов хранения этой энергии и выходит за рамки этого, определяя конкретные металлы, которые предлагают наибольшие перспективы.

«Многие исследования были сосредоточены на эффективных, но непомерно дорогих металлах в качестве возможных кандидатов, даже несмотря на то, что они слишком редки, чтобы выполнять тяжелую работу, необходимую для хранения достаточного количества водорода для общества. Мы нацелены на поиск долгосрочного и жизнеспособного варианта. И мы надеемся, что так и будет ».