模拟发现，“理想的”水分解催化剂确实存在

水分解成氧气而且氢有潜力为全球经济提供更可持续的燃料，但由于将水氧化为分子氧的瓶颈，该技术受到了阻碍。现在，来自爱尔兰都柏林三一学院的一组研究人员由马克斯Garcia-Melchor他们认为他们已经找到了克服这一障碍的方法。利用传统上专属于多相过程的计算模型，他们分析了一系列均相析氧催化剂，并预测理想催化剂的想法不是幻想，它将使水分解更便宜、更有效。

“我们想了解为什么昂贵的金属会喜欢钌而且铱是如此活跃的氧化水，我们决定把我们的计算重点放在均相催化剂上，因为它们表现出的周转率比最好的非均相体系高两到三个数量级，”García-Melchor说。然而，他们决定继续使用多相催化中传统的计算方法。起初，这种方法似乎没有提供预期的结果-预测估计最好的钌催化剂的性能非常差。“但我们突然意识到我们忽略了一些东西，”García-Melchor解释道。他说:“我们的理论模型没有包括一些最佳催化剂所经历的关键反应步骤。”这一步是O-O键形成前的一个额外的单电子氧化。一旦他们考虑到这一点，模拟就开始像一台运转良好的机器一样运行。

García-Melchor和他的团队进行的计算使他们预测理想的水氧化催化剂可能存在。维克多Mougel他是瑞士苏黎世联邦理工学院的电催化专家，他没有参与这项研究，他解释说:“理想的催化剂可以在不损失能量的情况下调节水的活化反应，只为这个转变提供所需的热力学能。”他补充说:“到目前为止，所有已知的氧气生成催化剂都需要过电位——比最低所需能量更高的能量，从而导致能量损失。”找到一种理想的催化剂将使这个过程变得更便宜——能源是水分解过程中最大的运行成本。

García-Melchor认为，基于地球上丰富元素的新型催化剂可以表现出这样的理想性能。这将进一步降低成本——钌和铱极其昂贵——并使水分解更环保、更可持续。

为了进行计算分析，研究小组使用了反应描述符——一种可以将活动与单个值联系起来的物理属性。Mougel解释说:“在多相催化中，简单的描述符可以有效地描述和预测材料的催化活性。”他补充说:“现在，研究人员已经将这种方法扩展到均相催化，这具有巨大的潜力，可以显著减少精确预测所需的计算量。”结果已经很有希望了——“他们发现了一个新的特定描述符，这对于解释和推断分子水氧化催化剂的活性至关重要，”Mougel指出。“然而，化学家们还需要实验来证实这些预测。”

到目前为止，研究人员只分析了17种均相催化剂作为概念的证明。“然而，这为预测分析更大数据集的更好催化剂铺平了道路，”Mougel说。García-Melchor补充道:“机器学习在催化领域仍在蓬勃发展，但它可能成为一种非常有效的工具。”他说:“使用正确的描述符，我们可以训练算法来提出更好的催化剂，然后在实验室里用量子化学模拟和实验来证实这些结果，这些实验通常更昂贵、更耗时。”“我们已经在朝着这个方向努力了，我们希望很快就能公布我们的新发现。”