Ученые выяснили, почему именно платина является самым эффективным материалом для безопасного устранения утечек водорода. Исследование с использованием машинного обучения раскрыло атомные механизмы этой реакции.
Международная группа ученых из Японии и ЮАР провела компьютерное моделирование, чтобы понять, какие металлы лучше всего подходят для безопасного использования водорода. Водородное топливо перспективно, но опасно из-за возможных утечек и образования взрывоопасной смеси с воздухом.
Для предотвращения аварий используются специальные устройства — пассивные автокаталитические рекомбинаторы (ПАР). В них происходит безопасное соединение водорода и кислорода с образованием воды. Обычно в качестве катализатора в ПАР применяется дорогостоящая платина. Задачей исследователей было понять, почему этот металл так эффективен, и найти возможные альтернативы.
Ученые смоделировали поведение наночастиц пяти металлов: платины, палладия, меди, серебра и золота. Для этого использовался метод молекулярной динамики на основе универсального нейросетевого потенциала, который позволил в реальном времени наблюдать за реакцией на поверхности катализатора.
Результаты показали, что платина обладает уникальным балансом свойств. Ее поверхность достаточно прочно удерживает молекулы кислорода, но не слишком сильно, поэтому они не сразу распадаются на атомы. В то же время атомы водорода на платине остаются подвижными и легко вступают в реакцию. Это обеспечивает оптимальный путь превращения кислорода и водорода в воду.
Другие металлы оказались менее эффективными. Палладий слишком сильно связывает оба газа, медь чрезмерно активно расщепляет кислород и покрывается его атомами, а серебро и золото, наоборот, слабо удерживают реагенты на своей поверхности.
Исследование не только объяснило превосходство платины, но и указало путь к созданию более доступных материалов. Понимание механизмов реакции позволит разрабатывать сплавы с небольшим содержанием платины или модифицированный палладий, что снизит стоимость систем безопасности для водородной энергетики.
Источник: Global Energy
Изображение: Global Energy
