Чтобы найти правильную смесь металлов для своего зеленого аммиачного катализатора, ученые обратились к ИИ. Результатом стал прорыв, который сделал их технологию производства аммиака из воздуха и воды более эффективной и гораздо более доступной.
Возможно, вы больше всего знакомы с аммиаком как с чистящим средством для кухни, но за пределами дома аммиак играет важную роль, занимая второе место в мире по объему промышленного производства химикатов после серной кислоты. Около 80% аммиака используется в качестве удобрения, поэтому он является ключевой частью мирового производства продуктов питания. Он также находит применение в других отраслях промышленности, и в последнее время его рассматривают как альтернативный источник топлива. Это связано с тем, что он может быть источником энергии без углерода, поскольку при сгорании выделяет только азот и водяной пар. Он также обладает высокой плотностью энергии и является отличным средством хранения водорода, который также становится все более популярным как новое экологичное топливо.
Однако наиболее распространенным способом производства аммиака в наши дни является метод, известный как процесс Габера-Боша, который использует чрезвычайно высокие температуры и давления, которые обычно создаются при сжигании ископаемого топлива. Исследователи яростно работают над тем, чтобы обойти этот процесс и производить аммиак с использованием углеродно-нейтральных технологий. В прошлом году, по сути, в Дании открылся первый в мире завод по производству зеленого аммиака, а в начале этого года мы увидели новое устройство, которое имеет потенциал поставлять чистый аммиак, произведенный из разреженного воздуха, напрямую фермерам.
В 2021 году группа инженеров-химиков из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее и Сиднейского университета объединили усилия в поисках зеленого аммиака и нашли способ сделать его безуглеродную версию из воздуха, воды и возобновляемой электроэнергии. Стремясь улучшить этот метод проверки концепции, команда UNSW поняла, что ключ заключается в поиске правильной комбинации металлов, которые будут действовать как катализатор в системе.
«Мы выбрали 13 металлов, которые, по данным прошлых исследований, обладали нужными нам качествами — например, этот металл хорошо поглощает азот, этот — водород и так далее», — говорит Али Джалили, химик из UNSW, участвовавший в обоих исследованиях. «Но для лучшего катализатора потребуется комбинация этих металлов, и если посчитать, то получится более 8000 различных комбинаций».
8000 к 23
Поэтому Джалили и его команда обратились к искусственному интеллекту и снабдили систему машинного обучения подробной информацией о поведении и составе различных металлов. Затем они заставили ее определить, какие комбинации с наибольшей вероятностью станут успешными катализаторами для производства аммиака. Это сократило количество экспериментов, которые им нужно было провести, до всего лишь 28.
Поработав в своей лаборатории с урезанным списком, исследователи в конечном итоге определили, что наиболее эффективной формулой является смесь цинка, олова, никеля, висмута и железа. Используя катализатор, состоящий из этих металлов, они смогли значительно улучшить исходный метод, производя аммиак при температуре окружающей среды 25 °C (77 °F), что составляет менее 10% от температуры, используемой в методе Габера-Боша.
«Мы добились семикратного увеличения производительности производства аммиака, и в то же время эффективность была близка к 100%. Это означает, что почти вся электроэнергия, необходимая для проведения реакции, использовалась для производства аммиака — очень мало энергии тратилось впустую», — говорит Джалили.
В настоящее время группа проводит испытания с другим типом модуля по производству аммиака «plug-and-play» для фермеров, который использует оптимизированный для ИИ катализатор в сочетании с плазменным генератором и электролизером.
«В течение столетия производство аммиака основывалось на огромных централизованных заводах, которые сокращали издержки за счет работы в огромных масштабах, но эти проекты требуют многолетнего строительства, миллиардов долларов капитала и не могут быстро адаптироваться к изменениям на энергетических рынках», — говорит Джалили. «Наш подход отходит от эпохи централизованных гигантских заводов и открывает двери для более мелких децентрализованных установок, которые требуют гораздо меньших первоначальных инвестиций».
Результаты исследования опубликованы в журнале Small .
