Ученые провели анализ катализаторов для безопасной работы с водородом

Ученые из Кумамотского университета и Национального института технологий Японии совместно с коллегами из Северо-Западного университета в Южной Африке провели компьютерное исследование процессов, которые лежат в основе систем водородной безопасности. Для этого они использовали современный метод моделирования на базе машинного обучения. Он позволяет описывать химические реакции на поверхности металлов с почти квантово-химической точностью, но значительно быстрее и с меньшими вычислительными затратами.
Водород считается одним из перспективных экологически чистых видов топлива, но у него есть и недостатки. Он легко воспламеняется и при утечке может образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Чтобы предотвратить взрывы в помещениях, где водород используется или хранится, применяются пассивные автокаталитические рекомбинаторы. Они содержат катализатор, чаще всего дорогую платину, который обеспечивает безопасное протекание реакции соединения водорода и кислорода из воздуха с образованием обычной воды. Задача ученых состояла в том, чтобы лучше понять механизмы этой реакции на атомном уровне и найти более дешевые и не менее эффективные альтернативы платине.
Ученые решили смоделировать рекомбинацию водорода и кислорода на поверхности наночастиц таких металлов, как палладий, платина, медь, серебро и золото. Вместо изучения статичных структур, как это часто делают в расчетах, они использовали метод молекулярной динамики с машинным потенциалом, что позволило при температуре около 230 ^oC и высоком давлении в реальном времени наблюдать, как молекулы газа взаимодействуют с поверхностью катализатора, адсорбируются на ней, перемещаются и вступают в химические реакции.
Моделирование выявило различия в поведении металлов и помогло понять, почему платина до сих пор считается эталоном. На ее поверхности молекулы кислорода удерживаются достаточно прочно, но не слишком сильно и поэтому не распадаются сразу на атомы. При этом атомы водорода, возникающие из молекул H₂, остаются подвижными и могут быстро взаимодействовать с кислородом. В ходе расчетов удалось проследить основной путь реакции на платине. Молекула O₂ соединяется с атомом водорода, образуя промежуточное соединение (OOH), которое затем превращается в воду (H₂O). Этот процесс удалось напрямую увидеть в ходе моделирования.
Другие металлы оказались менее эффективными из-за неудачного сочетания свойств. Палладий слишком сильно удерживает на своей поверхности и водород, и кислород, из-за чего им сложнее взаимодействовать друг с другом. Медь, наоборот, слишком активно расщепляет молекулы кислорода и быстро покрывается атомарным кислородом, что мешает реакции с водородом. Серебро и золото в целом ведут себя инертно и слабо удерживают реагенты на своей поверхности.
Таким образом, ученые показали, что эффективный катализатор должен сочетать прочное удержание молекулярного кислорода и высокую подвижность атомов водорода на поверхности. Именно таким балансом обладает платина, что делает ее наиболее эффективной. Понимание этого механизма подсказывает, как можно создавать новые материалы. Например, для снижения стоимости можно разрабатывать сплавы, в которых небольшое количество платины сочетается с более доступными металлами, но сохраняется нужное взаимодействие с реагентами. Другой путь заключается в модификации палладия за счет добавления инертных элементов, ослабляющих слишком сильное связывание водорода.