Nye katalysatorer

Alle dele af den kemiske industri bruger katalysatorer til at forløbe effektivt og miljøvenligt, lige fra omdannelsen af udstødsgasserne i en bil til fremstilling af gødningsstoffer med atmosfærens kvælstof. Derudover er der kemiske processer, hvortil der endnu ikke findes effektive katalysatorer, som kræver løsninger i den nære fremtid ikke mindst for at afbøde klimaforandringerne, f.eks. omdannelsen af carbondioxid til nyttige stoffer og reaktionen mellem ilt og brint til vand og elektricitet til brug i brændselsceller. En katalysators rolle er at hjælpe omdannelsen af kemiske stoffer i en kemisk reaktion, og en effektiv katalysator kan gøre dette hurtigt og med lavt energitab. Det er en stor udfordring at forudsige hvilket materiale der vil fungere som en god katalysator for en kemisk reaktion, imidlertid er det netop det problem vi foreslår løsningen til med en ny klasse af materialer, de såkaldte højentropi-legeringer.

Højentropi-legeringer er en blanding af fem eller flere metaller og er kun for nyligt blevet benyttet som katalysatorer. Vi præsenterer den første teoretiske undersøgelse af, hvordan vi systematisk kan drage nytte af højentropi-legeringer, og give svaret på hvilken legering der kan katalysere den ønskede kemiske reaktion.

Det som gør højentropi-legeringerne forskellige fra andre katalysatorer er at de har en overflade med utallige lokale kombinationer af forskellige atomer, som giver anledning til ligeså mange lokale kemiske miljøer. Forestil dig en Rubiks terning. Når den er løst består den af seks ensfarvede sider, som repræsenterer de rene metaller. Bland terningen og siderne er nu sammensat af mange farver. På hver side kan de seks farver arrangeres mange forskellige måder. Felterne repræsentere en lokal kombination af seks forskellige metaller på overfladen af en højentropi-legering. Nogle kombinationer af atomer på overfladen vil binde de reagerende kemiske stoffer svagt, andre vil binde stærkt. For de kombinationer af atomer hvor bindingsstyrken er netop perfekt vil den katalytiske aktivitet være størst, og disse kombinationer er bestemmende for den overordnede katalytiske aktivitet.

Ved at beregne bindingsstyrken for de kemiske stoffer for alle kombinationer af atomer kan vi identificere de bedste kemiske miljøer og i hvilket forhold de iblandede metaller indgår på atomart niveau. Her støder vi imidlertid ind i det problem at det ville tage en menneskealder at beregne bindingsstyker for alle kombinationer selv med moderne kvantemekanisk teori. Vi har løst dette problem ved at beregne bindingsstyrkene for en tilfældigt udvalgt delmængde af de mulige kombinationer og derefter anvende maskinlæring til at beregne bindingsstyrker for hele mængden på blot et par sekunder.

Når bindingstyrkerne for alle lokale kombinationer af atomer på overfladen er kendte, er vi i stand til at regulere forholdet imellem de iblandede metaller sådan at vi fremmer sandsynligheden for at de bedste bindingsstyrker er så hyppige som det er muligt. Dette optimale blandingsforhold kan beregnes, og resultatet er helt nye, uprøvede katalysatorer. Metoden giver os dermed en systematisk måde at foreslå katalysatorer på, som kun afhænger af hvilke metaller vi inkluderer. Vi har i artiklen anvendt metoden for reaktionen mellem ilt og brint med vand som produkt, men anvendelsen er meget bred, så vi arbejder i øjeblikket med flere kemiske reaktioner samt at forbedre metodens tilnærmelser og antagelser, sådan at vi kan foreslå legeringer der forhåbentligt kan overgå de nuværende katalysatorer.