Verwendung von quanteninspiriertem Computing zur Entdeckung eines verbesserten Katalysators für sauberen Wasserstoff

Forscher der Fakultät für angewandte Wissenschaft und Technik der Universität Toronto und Fujitsu haben eine neue Methode entwickelt, um im „chemischen Raum“ nach Materialien mit wünschenswerten Eigenschaften zu suchen.

Die Technik hat zu einem vielversprechenden neuen Katalysatormaterial geführt, das dazu beitragen könnte, die Kosten für die Herstellung von sauberem Wasserstoff zu senken.

Die Entdeckung stellt einen wichtigen Schritt in Richtung nachhaltigerer Wege der Energiespeicherung dar, einschließlich aus erneuerbaren, aber intermittierenden Quellen wie Sonnen- und Windenergie.

„Die Ausweitung der Produktion von sogenanntem grünem Wasserstoff ist eine Priorität für Forscher auf der ganzen Welt, da es eine kohlenstofffreie Möglichkeit bietet, Strom aus jeder Quelle zu speichern“, sagt Ted Sargent, Professor an der Abteilung Edward S. Rogers Sr der Elektro- und Informationstechnik und leitender Autor eines neuen Artikels, der in veröffentlicht wurde Materie.

„Diese Arbeit liefert einen Proof-of-Concept für einen neuen Ansatz zur Überwindung einer der wichtigsten verbleibenden Herausforderungen, nämlich des Mangels an hochaktiven Katalysatormaterialien zur Beschleunigung der kritischen Reaktionen.“

Heute wird fast der gesamte kommerzielle Wasserstoff aus Erdgas hergestellt. Der Prozess erzeugt Kohlendioxid als Nebenprodukt: Wenn das CO2 in die Atmosphäre entlüftet wird, wird das Produkt als „grauer Wasserstoff“ bezeichnet, aber wenn das CO2 aufgefangen und gespeichert wird, wird es als „blauer Wasserstoff“ bezeichnet.

Im Gegensatz dazu ist „grüner Wasserstoff“ eine kohlenstofffreie Methode, bei der ein Gerät, das als Elektrolyseur bekannt ist, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoffgas aufspaltet. Der Wasserstoff kann später verbrannt oder in einer Brennstoffzelle umgesetzt werden, um den Strom zu regenerieren. Die geringe Effizienz der verfügbaren Elektrolyseure bedeutet jedoch, dass der größte Teil der Energie im Wasserspaltungsschritt als Wärme verschwendet wird, anstatt im Wasserstoff eingefangen zu werden.

Forscher auf der ganzen Welt suchen rasend nach besseren Katalysatormaterialien, die diese Effizienz verbessern können. Da jedoch jedes potenzielle Katalysatormaterial aus mehreren verschiedenen chemischen Elementen bestehen kann, die auf vielfältige Weise kombiniert werden können, wird die Zahl der möglichen Permutationen schnell überwältigend.

„Ein Weg, dies zu tun, ist die menschliche Intuition, indem man recherchiert, welche Materialien andere Gruppen hergestellt haben, und etwas Ähnliches versucht, aber das ist ziemlich langsam“, sagt die Abteilung für Materialwissenschaften und -technik, Ph.D. Kandidat Jehad Abed, einer von zwei Co-Hauptautoren des neuen Papiers.

„Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Computermodell zu verwenden, um die chemischen Eigenschaften aller potenziellen Materialien, die wir ausprobieren könnten, ausgehend von den Grundprinzipien zu simulieren. Aber in diesem Fall werden die Berechnungen wirklich komplex und die Rechenleistung, die zum Ausführen des Modells erforderlich ist, wird enorm .“

Um einen Weg zu finden, wandte sich das Team dem aufstrebenden Gebiet des quanteninspirierten Computing zu. Sie nutzten den Digital Annealer, ein Tool, das als Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen U of T Engineering und Fujitsu Research entwickelt wurde. Diese Zusammenarbeit hat auch zur Gründung des Fujitsu Co-Creation Research Laboratory an der University of Toronto geführt.

„Der Digital Annealer ist eine Mischung aus einzigartiger Hardware und Software, die so konzipiert ist, dass sie hocheffizient bei der Lösung kombinatorischer Optimierungsprobleme ist“, sagt Hidetoshi Matsumura, leitender Forscher bei Fujitsu Consulting (Kanada) Inc.

„Zu diesen Problemen gehört es, die effizienteste Route zwischen mehreren Standorten in einem Transportnetz zu finden oder eine Reihe von Aktien auszuwählen, um ein ausgewogenes Portfolio zu bilden. Ein weiteres Beispiel ist die Suche nach verschiedenen Kombinationen chemischer Elemente, um einen Katalysator mit den gewünschten Eigenschaften zu finden, und es war eine perfekte Herausforderung für unseren Digital Annealer.“

In der Veröffentlichung verwendeten die Forscher eine Technik namens Cluster-Expansion, um eine wirklich enorme Anzahl potenzieller Katalysatormaterialdesigns zu analysieren – sie schätzen die Gesamtzahl auf eine Größenordnung von Hunderten von Billiarden. Für die Perspektive ist eine Billiarde ungefähr die Anzahl der Sekunden, die in 32 Millionen Jahren vergehen würden.

Die Ergebnisse deuteten auf eine vielversprechende Materialfamilie aus Ruthenium, Chrom, Mangan, Antimon und Sauerstoff hin, die zuvor von anderen Forschungsgruppen nicht erforscht worden war.

Das Team synthetisierte mehrere dieser Verbindungen und stellte fest, dass die besten von ihnen eine Massenaktivität zeigten – ein Maß für die Anzahl der Reaktionen, die pro Masse des Katalysators katalysiert werden können – die etwa achtmal höher war als einige der besten derzeit verfügbaren Katalysatoren .

Der neue Katalysator hat auch andere Vorteile: Er funktioniert gut unter sauren Bedingungen, was eine Voraussetzung für moderne Elektrolyseurkonstruktionen ist. Derzeit sind diese Elektrolyseure auf Katalysatoren angewiesen, die größtenteils aus Iridium bestehen, einem seltenen Element, dessen Beschaffung kostspielig ist. Im Vergleich dazu ist Ruthenium, der Hauptbestandteil des neuen Katalysators, häufiger und hat einen niedrigeren Marktpreis.

Auf das Team wartet noch weitere Arbeit: So wollen sie beispielsweise die Stabilität des neuen Katalysators weiter optimieren, bevor er in einem Elektrolyseur getestet werden kann. Dennoch dient die neueste Arbeit als Demonstration der Wirksamkeit des neuen Ansatzes zur Durchsuchung des chemischen Weltraums.

„Ich denke, das Spannende an diesem Projekt ist, dass es zeigt, wie man wirklich komplexe und wichtige Probleme lösen kann, indem man Fachwissen aus verschiedenen Bereichen kombiniert“, sagt Dr. Kandidat Hitarth Choubisa, der andere Co-Lead-Autor des Papiers.

„Materialwissenschaftler haben lange nach diesen effizienteren Katalysatoren gesucht und Computerwissenschaftler haben effizientere Algorithmen entworfen, aber die beiden Bemühungen wurden getrennt. Als wir sie zusammenbrachten, konnten wir eine sehr vielversprechende Lösung finden.“ schnell. Ich denke, es gibt noch viel mehr nützliche Entdeckungen, die auf diese Weise gemacht werden können.“