Исследователи из Кумамотского университета и Национального института технологий Японии совместно с коллегами из Северо-Западного университета (HySA Infrastructure) 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 – универсальный нейросетевой потенциал. Он позволяет описывать химические реакции на поверхности металлов почти с 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 (например, в гаражах с автомобилями на топливных элементах), применяются специальные устройства – 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.
Исследователи решили смоделировать ключевую реакцию – рекомбинацию водорода и кислорода – на поверхности наночастиц пяти металлов: палладия, платины, меди, серебра и золота. Вместо изучения статичных, «замороженных» структур, как это часто делают в расчетах, они использовали метод молекулярной динамики с машинным потенциалом (universal neural network potential-driven molecular dynamics UNNP-MD). Это позволило при температуре около 500 К (примерно 230 °C) 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 «золотым стандартом». 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 команда исследователей показала, что эффективный катализатор для безопасного «сжигания» водорода должен сочетать два свойства: прочное удержание молекулярного кислорода и высокую подвижность атомов водорода на поверхности. И именно таким балансом обладает платина, что делает ее наиболее эффективной. При этом 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 – модифицировать палладий, добавляя инертные элементы, чтобы ослабить его слишком сильное связывание водорода.
