多倫多大學(xué)應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院和富士通的研究人員開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)“化學(xué)空間”搜索具有理想性能的材料的新方法。

這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生了一種有前途的新型催化劑材料，可以幫助降低生產(chǎn)清潔氫氣的成本。

這一發(fā)現(xiàn)代表著朝著更可持續(xù)的能源儲(chǔ)存方式邁出了重要一步，包括可再生但間歇性的能源，如太陽(yáng)能和風(fēng)能。

研究人員說(shuō)：“擴(kuò)大我們所謂的綠色氫的生產(chǎn)是世界各地研究人員的優(yōu)先事項(xiàng)，因?yàn)樗峁┝艘环N無(wú)碳的方式來(lái)存儲(chǔ)來(lái)自任何來(lái)源的電力。這項(xiàng)工作為克服一個(gè)關(guān)鍵的剩余挑戰(zhàn)的新方法提供了概念證明，這個(gè)挑戰(zhàn)是缺乏高活性催化劑材料來(lái)加速關(guān)鍵反應(yīng)。”

綠氫是一種無(wú)碳制氫路徑，它使用電解槽將水分解成氫氣和氧氣。氫氣稍后可以燃燒或在燃料電池中反應(yīng)以再生電力。然而，現(xiàn)有的電解槽效率很低，這意味著水分解步驟中的大部分能量都作為熱量浪費(fèi)了，而不是被氫捕獲。

世界各地的研究人員都在競(jìng)相尋找更好的催化劑材料，以提高這種效率。但是，由于每種潛在的催化劑材料都可以由幾種不同的化學(xué)元素以各種方式組合而成，因此，可能的排列的數(shù)量很快就會(huì)變得難以控制。

研究人員說(shuō)：“一種方法是通過(guò)人類的直覺(jué)，通過(guò)研究其他團(tuán)隊(duì)制造的材料并嘗試類似的東西，但這相當(dāng)緩慢。另一種方法是使用計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬我們可能嘗試的所有潛在材料的化學(xué)性質(zhì)，從基本原理開(kāi)始。但在這種情況下，計(jì)算變得非常復(fù)雜，運(yùn)行模型所需的計(jì)算能力變得巨大。”

為了找到解決辦法，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了量子計(jì)算這一新興領(lǐng)域。他們使用了Digital Annealer，這是多倫多大學(xué)和富士通研究公司長(zhǎng)期合作的結(jié)果。這種合作還促成了多倫多大學(xué)富士通共同創(chuàng)造研究實(shí)驗(yàn)室的建立。

富士通表示：“Digital Annealer是一種獨(dú)特的硬件和軟件的混合體，旨在高效地解決組合優(yōu)化問(wèn)題。”

研究人員使用了一種稱為簇?cái)U(kuò)展的技術(shù)，分析了大量潛在的催化劑材料設(shè)計(jì)，他們估計(jì)總數(shù)大約為數(shù)百萬(wàn)億。從透視角度來(lái)看，一千萬(wàn)億大約是3200萬(wàn)年所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)。

研究結(jié)果指向了一個(gè)由釕、鉻、錳、銻和氧組成的有前途的材料家族，這是其他研究小組以前沒(méi)有探索過(guò)的。

該團(tuán)隊(duì)合成了幾種這樣的化合物，并發(fā)現(xiàn)其中最好的表現(xiàn)出了比目前可用的一些最好的催化劑高8倍的質(zhì)量活性。

這種新型催化劑還有其他優(yōu)點(diǎn)：它在酸性條件下運(yùn)行良好，這是最先進(jìn)的電解槽設(shè)計(jì)的要求。而且新型催化劑的主要成分釕含量更豐富，市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)更低。

該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是進(jìn)一步優(yōu)化新催化劑的穩(wěn)定性，然后才能在電解槽中進(jìn)行測(cè)試。盡管如此，最新的工作證明了尋找化學(xué)空間的新方法的有效性。

研究人員表示：“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，材料科學(xué)家一直在尋找這些更有效的催化劑，而計(jì)算科學(xué)家一直在設(shè)計(jì)更有效的算法，但這兩方面的努力一直是脫節(jié)的。當(dāng)我們把他們聚集在一起時(shí)，我們能夠很快找到一個(gè)有前途的解決方案。我認(rèn)為，用這種方法可以發(fā)現(xiàn)更多有用的東西。”