Для этого нужны материалы, способные ускорять химические реакции — чтобы запасать энергию в веществах и извлекать ее без горения.

Один из перспективных вариантов — металлоорганические каркасы (МОК).

Это структуры из ионов металлов и органических связующих.

Ученые из Чикагского университета разработали алгоритм, который предсказывает, какие МОК будут наиболее стабильными для конкретных задач.

Аспирант Цзяньмин Мао и профессор Эндрю Фергюсон создали вычислительный инструмент, который спрогнозировал новый железо-серный МОК. Постдок Нинксин Цзян и профессор Джон Андерсон синтезировали его, а коллеги из Университета Стоуни-Брук подтвердили свойства.

Исследование провели в Центре дизайна катализаторов для декарбонизации при поддержке Минэнерго США. Результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Создание катализаторов для декарбонизации — ключевая задача нашего центра. Мы показали, что это возможно благодаря сотрудничеству теоретиков и экспериментаторов, — говорит Фергюсон.

МОК — пористые и настраиваемые структуры, подходящие для катализа, хранения энергии и сенсоров. Но их дизайн сложен. Компьютерные модели предсказали более 500 000 МОК, но лишь малую часть удалось синтезировать.

Некоторые МОК стабильны, другие разваливаются. Даже если расчеты показывают хороший вариант, в лаборатории он может не сработать, — объясняет Мао.

Команда Фергюсона использовала метод «вычислительной алхимии» — преобразовала виртуальный МОК в упрощенную систему с известной стабильностью и вычислила энергию процесса. Квантово-механические расчеты заняли бы века, поэтому применили классическую физику — и уложились в сутки.

Мы рискнули, но приближение сработало, — признается Фергюсон.

Алгоритм предсказал новый МОК — Fe4S4-BDT—TPP. Его синтезировали, изучили с помощью рентгеновской дифракции и подтвердили стабильность.

Теперь мы можем не тыкаться наугад, а заранее знать, что синтезировать, — говорит Андерсон.

Дальше — тесты каталитических свойств. А инструмент уже выложен в открытый доступ.

Польза исследования

• Ускорение разработки катализаторов для водородной энергетики и синтетического топлива.
• Снижение затрат на перебор материалов — вместо тысяч экспериментов один расчет.
• Потенциал для других областей — газоразделение, хранение метана, сенсоры.

Метод опирается на классическую физику, что упрощает реальные квантовые эффекты. Для сложных металлов (например, редкоземельных) точность может снижаться.

Ранее мы перечислили редкоземельные металлы и описали их особенности.