一种可以更容易地找到更好更便宜催化剂的方法

一种可以更容易地找到更好更便宜催化剂的方法

未来30年，世界能源需求将增长2至3倍，而世界人口将从目前的约20%增长到20%。今日约73亿元。根据联合国的数据，到2050年将达到97亿。仅仅扩大太阳能和风能作为化石燃料替代品的能力是不够的。这两种来源都满足了环境可持续性的需要，但由于它们依赖于不可预测的天气条件，它们是不稳定的。这种不稳定的结果是催化剂和电解变得越来越重要，希望它们能够保证稳定的能源供应。除此之外，催化剂在化学工业中被广泛使用;从汽车有害废气的转化到从大气中氮转化为肥料。

有学者指出，在开发可用于燃料电池、太阳能和风能的存储以及新型环保燃料的催化剂方面，还有很长的路要走，目前存在的催化剂还不足以确保绿色过渡。但是，已经有科学家在不断地在新一代催化剂中“大海捞针”，以期能够得到解决办法。但这并非易事，在无数种可能性中，很难找到合适的金属合金作为催化剂——尽管现在有超级计算机。找到最好的合金需要很长很长的时间。研究人员使用所谓的高熵合金作为起点，它是许多不同元素的随机混合物，通过已经开发了基于机器学习的计算机模型，可以更容易地对各种合金组合进行分类，找到那些能够有效地转换和存储太阳能和风能的合金。

从汽车尾气的转化到利用大气中的氮生产化肥，化学工业在保持环境友好的同时，利用催化剂高效地进行生产。在这些化学过程中，有一些还没有有效的催化剂，这些在不久的将来将需要解决。例如，把二氧化碳转化为有用的物质以减缓气候变化，以及氧气和氢气之间的反应形成水用于燃料电池。催化剂的作用是在化学反应中帮助化学物质的转化，而一种有效的催化剂可以快速且能量损失小。预测哪种材料将成为化学反应的良好催化剂是一个巨大的挑战，而此次提出的解决方案正是使用一种新型材料，即所谓的高熵合金。

高熵合金是由五种或五种以上金属的混合物组成，最近才被用作催化剂。研究人员提出了第一个理论研究如何系统地受益于高熵合金，以提供最佳的合金候选者，可以催化所需的化学反应。高熵合金与其他催化剂的不同之处在于，它们的表面有无数不同原子的局部构型，从而产生了同样多的局部化学环境。想象一个魔方:当它被解出来时，它由六个面组成，每个面都有代表纯金属的颜色。混合魔方和每个面现在是由许多颜色组成。在每张脸上，这六种颜色可以有很多不同的排列方式。这九个方块代表六种不同金属在高熵合金表面的局部组合。表面上的一些原子组合会与反应的化学物质结合得很弱，而与其他原子结合得很牢固。对于那些结合强度完美的原子组合，催化活性将是最大的，而这些组合将控制整体催化活性。

通过计算所有原子构型的化学物质的键强度，可以确定最佳的化学环境，以及在原子水平上混合金属的比例。然而，在这里遇到的问题是，即使使用现代量子力学方法，计算所有组合的键强度也需要花费一生的时间。研究人员们通过计算随机选择的可能组合子集的键强度来解决这个问题，然后使用机器学习在几秒钟内计算整个组合跨度的键强度。当已知表面上所有原子的局部组合的键强度时，研究人员就能够调整所结合金属的比例，以提高最佳键强度尽可能频繁出现的可能性。这种最佳混合比可以计算出来，其结果是全新的，未经测试的催化剂。因此，该方法提供了一种系统的方法来提出催化剂，它只依赖于我们所包含的金属。现在已经广泛使用这种方法,所以目前在其他几个化学反应中,通过改善方法的近似和假设,希望能提出超过目前的催化剂的活性合金。

请注意

催化剂与电解:催化剂的作用是协助化学反应中化学物质的转化，有效的催化剂能够为反应提供快速、廉价、高效的途径。电解是用电来分离物质的一种方法。