Энергетический грааль. В поисках полностью возобновляемой энергии.

Предоставлено: CC0 Public Domain

Ирландские учёные из дублинского Тринити-колледжа ищут рецепт создания так называемой чистой энергии. Надежды на успешную разработку этого метода столь же велики, сколь велика и амбициозна его миссия – позволить производство полностью возобновляемой энергии, единственным отходом которого будет вода.

Поиски ведутся на стыке химии, теоретической физики и искусственного интеллекта.  Искренне веря в то, что казавшееся невозможным когда-то однажды всё-таки станет реальностью, команда начала первые работы в этом направлении чуть менее двух лет назад. И вот теперь можно сделать некоторые предварительные выводы, ведь союз трёх дисциплин дал просто многообещающие результаты.

«Кажется обнадёживающим, 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», – считает Майкл Крейг, кандидат наук в Тринити, первый автор посвящённой исследованию статьи, опубликованной в ведущем журнале Cell Reports Physical Science.

В теории – просто песня. Но есть проблема.

Сокращение выбросов углекислого газа (CO₂) человечеством, возможно, является величайшим вызовом, стоящим перед цивилизацией 21 века. Особенно если учесть постоянный прирост населения и вызванное этим повышение энергопотребления.

Одним из огоньков надежды, маячащих на горизонте, является то, что мы умеем-таки добывать электричество из возобновляемых источников. Но мы знаем также, что для решения насущного вопроса этой меры катастрофически мало. Однако за счёт разработки действенных средств хранения энергии переход к устойчивой энергетике может быть значительно облегчён. Поэтому дальнейшее развитие идеи кажется куда интереснее: что, если использовать эту возобновляемую энергию для разделения воды – чтобы производить «зелёный», богатый энергией водород, который затем можно будет хранить и использовать в топливных элементах? 

Это может стать мощным оружием в декарбонизации целых секторов промышленности и транспорта. Да и помимо преимуществ использования в качестве топлива, водород пригодится при производстве удобрений. Он также широко применяется во многих сферах промышленности – от нефтеперерабатывающих заводов до производства электроники и электротехники.

Мало того, дешёвые, эффективные и высокопроизводительные реакции расщепления воды будут стимулировать производство не только экологичного водорода, но и выделять кислород, который тоже можно использовать для улучшения ситуации с CO₂ на планете.  

Это выглядит особенно интересной и даже забавной перспективой при обеспечении электролиза воды энергией ветра и солнца, поскольку сама реакция позволит нам посредством водорода хранить энергию для использования в то время, когда упомянутые возобновляемые источники недоступны.

Однако, если всё так просто, почему до сих пор это не сделано? Основная проблема в том, что вода – субстанция очень стабильная и для её разрушения требуется большое количество энергии. Настолько, что это не имеет смысла: затраты электроэнергии на расщепление воды для получения водорода гораздо больше той энергии, которой может нас обеспечить этот самый добытый из воды водород. То есть, овчинка выделки всё-таки не стоит.

К тому же особенно серьёзным препятствием, необходимым к устранению, выступает «перенапряжение», связанное с производством кислорода, что является узким местом реакции при расщеплении воды с образованием H₂.

Следующий момент – экономический: хотя некоторые элементы, такие как рутений или иридий, эффективны при расщеплении воды, они непомерно дороги и, к тому же, их слишком мало для коммерциализации во всем мире. Тем временем другие, более дешёвые варианты, как правило, чрезмерно проигрывают в эффективности или надёжности. Обстоятельства в научных изысканиях на ниве материаловедения складываются так, что, фактически, в настоящее время никто так и не смог обнаружить катализаторы, которые были бы экономичными и надёжными в течение значительного периода времени.

Неужели тупик? Или всё-таки есть способ разгадать эту загадку? 

Остановитесь прежде, чем вы представите себе лабораторные халаты, очки, мензурки и забавные запахи, ибо эта работа полностью выполнялась с помощью компьютера. Объединив химиков и физиков-теоретиков, команда Тринити-колледжа, стоящая за последним прорывом, связала химический интеллект с очень мощными компьютерами, чтобы найти один из «святых Граалей» катализа.

Иголка в стоге сена.

Итак, ещё два года назад команда обнаружила, что наука недооценивала активность некоторых из наиболее реактивных катализаторов. В результате оказалось, что то самое устрашающее препятствие «перенапряжения» преодолеть легче, чем ранее предполагалось. Кроме того, в процессе уточнения давно принятой теоретической модели электролиза воды, которую и сейчас для прогнозирования эффективности катализаторов этой реакции в научном мире используют повсеместно, исследователям удалось значительно упростить поиск неуловимого катализатора, условно названого «зелёной пулей».

Но это тогда, а теперь обнаружены те самые выводы, ставшие многообещающими для экспериментальных исследований. Дело в том, что проведённые с использованием автоматизированного комбинаторного подхода и передового квантово-химического моделирования поиски нашли девять распространённых на Земле комбинаций металлов и лигандов (это частицы, присоединённые к одному или нескольким атомам металла), которые для создания катализаторов нужно склеить вместе.

«Два года назад наша работа сделала охоту за святым Граалем катализаторов немного более управляемой. Теперь мы сделали ещё один большой шаг вперёд, значительно сузив область поиска и ускорив наши изыскания», –говорит Макс Гарсия-Мельчор, доцент кафедры химии Университета Тринити, старший автор этого действительно знаменательного исследования.

Команда выделяет три особо перспективных для этого металла: хром, марганец и железо. Свершилась научная мечта: по мере продолжения охоты за «философским камнем электролиза», появилась возможность поместить в плавильный котёл тысячи катализаторов, основанных на этих ключевых компонентах, и наконец-то оценить их способности экспериментально!

Однако, это не всё. Как поясняют учёные, два года назад ими для исследования было отобрано 17 катализаторов, а сейчас проверено уже 444. И, вполне возможно, совсем скоро появится база данных, содержащая 80 000 «проверяемых» катализаторов.

«До недавнего времени мы искали крошечную иголку в огромном стоге сена. После уменьшения размера стога мы теперь скопили много оставшегося сена», – говорит о создавшейся ситуации Гарсия-Мельчор.

Кроме всего прочего, благодаря применению ключевых принципов проектирования и тщательному выбору лигандных каркасов учёные укрепили масштабирование связей, не зависящее от метода, и обеспечили фундаментальное понимание молекулярных катализаторов окисления воды в целом. И напоследок, уже в конце упомянутой статьи, Майкл Крейг и Макс Гарсия-Мельчор раскрывают главные результаты исследования: они дополнительно отфильтровали эти 9 распространённых на планете катализаторов с низким перенапряжением (теоретически – ниже 400 мВ) по их способности выделять кислород. Это привело к трём многообещающим катализаторам на основе хрома.

Главный вопрос.

«Как мы можем быть уверенны в завтрашнем дне?» Касаемо экологии и планеты как нашего дома вообще, это, возможно, самый большой и самый насущный вопрос, стоящий сейчас перед обществом. Ответить на него, конечно, непросто, но мы можем объединиться, чтобы всё-таки сделать это. Более того, по отдельности мы и не сможем. Так что сотрудничество не только желательно, но и неизбежно. А тем более – в научном междисциплинарном плане.

«Наши данные также могут быть использованы в качестве трамплина для открытия катализаторов на основе машинного обучения, – пишут авторы. – Если бы был реализован весь потенциал таких моделей машинного обучения, они помогли бы избежать бесплодных исследований химического ландшафта, в то же время позволяя исследователям изучить это пространство более эффективно».

АРМК, по материаламScience Direct иTrinity College Dublin