Искусственный интеллект находит катализаторы для экологичного производства перекиси водорода

Перекись водорода широко используется в быту — от дезинфекции и стерилизации до очистки окружающей среды и промышленного производства. Несмотря на важность, большая её часть по-прежнему производится энергоёмкими промышленными процессами. Учёные ищут более чистые альтернативы, и команда исследователей совершила прорыв в этой области, разработав новый вычислительный фреймворк для поиска эффективных катализаторов.

Работа, опубликованная в журнале Angewandte Chemie International Edition, сосредоточена на двухэлектронном окислении воды — электрохимическом процессе, который может генерировать перекись водорода более локализованно и потенциально устойчивым способом.

Мирокинетические и термодинамические вулканические модели для 2e⁻ WOR и процесс скрининга катализаторов. Автор: Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202518027

Проблемы в дизайне катализаторов

Как объясняет старший автор исследования Хао Ли, задача была нетривиальной: «Создавать катализаторы для этой реакции было сложно, потому что они бывают разных форм: металлические сплавы, оксиды металлов, одноатомные материалы. У каждого типа разная атомная структура, что затрудняет сравнение или предсказание их эффективности одним методом».

Анализ производительности и валидация отобранных катализаторов. Автор: Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202518027

Чтобы решить эту проблему, команда разработала новый способ описания каталитических активных центров на атомном уровне. Этот подход, называемый взвешенной атом-центрированной симметричной функцией, фиксирует как геометрическое расположение атомов, так и их химическую идентичность в едином формате. Эти дескрипторы были объединены с моделями машинного обучения и моделированием реакций для прогнозирования эффективности различных материалов.

Скрининг и проверка новых катализаторов

Используя этот фреймворк, исследователи быстро просканировали потенциальные катализаторы и идентифицировали оксид лития-скандия (LiScO₂) как перспективного кандидата. Эксперименты подтвердили, что этот материал может производить перекись водорода с эффективностью около 90% и оставаться стабильным почти неделю непрерывной работы.

Экспериментальная проверка теоретического предсказания. Автор: Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202518027

«Этот фреймворк позволяет нам напрямую связывать атомную информацию с измеримой производительностью, — добавляет Хао Ли. — Он помогает сократить метод проб и ошибок в разработке катализаторов и делает процесс поиска более систематическим».

Фреймворк реализован в Digital Catalysis Platform (крупнейшей на сегодня экспериментальной и вычислительной базе данных по катализу), где его можно использовать для эффективного прогнозирования свойств реакций. Поскольку метод одинаково подходит для разных классов материалов, его можно расширить и за пределы производства перекиси водорода. Исследователи ожидают, что этот подход поможет в разработке катализаторов для других важных электрохимических реакций, способствуя развитию более чистых химических производств и энергетических технологий.

Интересный факт: Перекись водорода была открыта в 1818 году французским химиком Луи Жаком Тенаром. В природе она также образуется как побочный продукт некоторых биохимических процессов, а в очень низких концентрациях присутствует в дождевой воде и снеге.