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在一项利用人工智能(AI)的计算研究中，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家们评估了1600亿个分子，这一数字超过了整个人类历史上出生的人口。他们的目标是筛选这些分子是否适合作为氢的液体载体。
研究结果发表在《数字发现》杂志上。
太阳本质上是一个巨大的球体，主要由氢气组成，它释放的能量使地球和太阳系的其他部分变暖。由于它的能量含量和丰度，氢作为地球上的能源也显示出巨大的希望。它可以为汽车、卡车、公共汽车、火车和轮船提供燃料，也可以为消费者发电。太阳的能量来自氢原子的聚变，而研究小组计划在地球上使用的过程涉及氢的燃烧。
纯氢在正常条件下以气体形式存在。作为燃料使用，其中一个挑战是将这种气体安全地运送到加油站并储存起来。然而，液态的氢载体化合物有几个优点。它们的安全性要好得多，因为它们不容易泄漏和爆炸。它们每单位体积的能量含量也要高得多，这使得储存和运输更加容易。
“液态化合物形式将从根本上消除纯氢气的某些问题，特别是考虑到有一个完善的基础设施，可以安全地储存和运输汽油和其他液态化学品，”化学家、阿贡实验室材料科学部的负责人Rajeev Surendran Assary说。
液氢载体化合物最明显的形式是水——两个氢原子和一个氧原子。另一种形式是有机分子，本质上是氢和碳原子以及氮和氧等其他原子的无数种可能的组合。
“在人工智能的帮助下，我们正在寻找有机液体分子，通过与催化剂的低成本化学反应，人们可以交替添加或释放氢气作为燃料，”数据科学与学习部门的计算科学家洛根·沃德说。最重要的是，这种反应不会向大气中增加碳。也就是说，它必须是碳中性的。
“我们一直在寻找有机液体分子，这种分子能长时间吸附氢，但又不能强到不能在需要时轻易去除，”材料科学部的博士后任命者哈桑·哈布说。“它们还必须有能力储存足够的氢气以供实际使用。”除氢后，将补充氢气加入液体中重复使用。
在数十亿种可能的液氢载体中，常见的例子包括氨和甲醇等化学品。然而，迄今为止在实验室中测试的相对较少的候选药物存在化学不稳定性和不必要的副反应。
该团队基于四个因素筛选候选分子。一个是结构上与已知的液氢载体相似。另一个是理想的物理特性，比如熔点和沸点——当氢被添加或提取时，液体必须保持液态。第三，液体必须能够在单位体积内储存大量的氢。最后，从液体中释放氢所需的能量必须足够低。
化学科学与工程部门的博士后萨拉·艾略特说:“我们首先访问了有机分子的化学数据库。”“我们发现了超过1600亿个这样的分子，将人工智能与最新的理论计算方法相结合，对于筛选这一庞大的分子大军，寻找最佳分子至关重要。”
该团队的计算需要使用世界上少数几个地方的超级计算机。其中之一是阿贡，阿贡领导计算设施的所在地，这是美国能源部科学办公室的用户设施。该团队还依赖于阿贡实验室计算资源中心(Laboratory computing Resource Center)运营的计算集群Bebop。
即使有这些强大的资源，如果一个人为每个分子分配一毫秒的计算时间，那就意味着1600亿个分子的计算时间为五年。出于这个原因，该团队开发了一种基于人工智能的筛选方法，将计算速度提高到每秒300万个分子，即1600亿个分子的计算时间约为14小时。
沃德说:“这使得我们在整个项目中只能做一次的计算，如果有的话，我们可以在一夜之间完成，并根据我们从计算和实验中得到的反馈重复进行。”
通过他们独特的方法，研究小组将候选物种从1600亿减少到41个。现在，这项任务交给了实验学家来测试那些有前途的人。该团队的计算方法为可持续能源解决方案创新的新时代铺平了道路。
除了阿萨里、艾略特、沃德和哈布，作者还包括伊恩·福斯特、斯蒂芬·克利彭斯坦和拉里·柯蒂斯。
更多信息:Hassan Harb等人，《发现新型液态有机氢载体:利用化学信息学和量子化学方法对化合物空间的系统探索》，Digital Discovery(2023)。DOI: 10.1039/D3DD00123G由阿贡国家实验室提供引文:人工智能帮助将液体形式的氢载体候选物从数十亿减少到约40(2024年1月10日)从https://techxplore.com/news/2024-01-ai-whittle-candidates-hydrogen-carriers.html检索2024年1月10日此文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
