Bæredygtig kemi på kvanteniveau

At udvikle katalysatorer til bæredygtig brændstof- og kemisk produktion kræver en slags Goldilocks Effect - nogle katalysatorer er for ineffektive, mens andre er for uøkonomiske. Katalysatortest tager også meget tid og ressourcer. Nye gennembrud inden for beregningsmæssig kvantekemi, imidlertid, lover at finde katalysatorer, der er "lige rigtige" og tusindvis af gange hurtigere end standardtilgange.

University of Pittsburgh Lektor John A. Keith og hans laboratoriegruppe ved Swanson School of Engineering bruger nye kvantekemi-beregningsprocedurer til at kategorisere hypotetiske elektrokatalysatorer, der er "for langsomme" eller "for dyre". langt mere grundigt og hurtigt, end man anså for muligt for nogle år siden. Keith er også Richard King Mellon Faculty Fellow i Energi i Swanson School's Department of Chemical and Petroleum Engineering.

Keith Groups forskningssamling, "Beregningsbaserede kvantekemiske undersøgelser af kemisk/materialeplads for effektive elektrokatalysatorer, " blev vist denne måned i Interface , et kvartalsblad fra The Electrochemical Society.

"I årtier, katalysatorudvikling var resultatet af trial and error - årelang udvikling og test i laboratoriet, giver os en grundlæggende forståelse af, hvordan katalytiske processer fungerer. I dag, beregningsmodellering giver os ny indsigt i disse reaktioner på molekylært niveau, " Forklarede Keith. "Det mest spændende er dog beregningsmæssig kvantekemi, som kan simulere strukturerne og dynamikken af ​​mange atomer ad gangen. Sammen med det voksende område af maskinlæring, vi kan hurtigere og mere præcist forudsige og simulere katalytiske modeller."

I artiklen, Keith forklarede en trestrenget tilgang til forudsigelse af nye elektrokatalysatorer:1) analyse af hypotetiske reaktionsveje; 2) forudsigelse af ideelle elektrokemiske miljøer; og 3) high-throughput screening drevet af alkymisk perturbation density funktionel teori og maskinlæring. Artiklen forklarer, hvordan disse tilgange kan transformere, hvordan ingeniører og videnskabsmænd udvikler elektrokatalysatorer, der er nødvendige for samfundet.

"Disse nye beregningsmetoder kan tillade forskere at være mere end tusind gange så effektive til at opdage nye systemer sammenlignet med standardprotokoller, " sagde Keith. "I århundreder var kemi og materialevidenskab afhængig af traditionelle edisonske modeller for laboratorieudforskning, som medfører langt flere fiaskoer end succeser og dermed en masse spildtid og ressourcer. Traditionel beregningskvantekemi har fremskyndet disse bestræbelser, men de nyeste metoder overlader dem. Dette hjælper forskerne med bedre at identificere de uopdagede katalysatorer, samfundet har desperat brug for for en bæredygtig fremtid."