Strojové učení urychluje design fotokatalyzátorů: Nová metoda 16x zefektivňuje výrobu vodíku ze slunce

Budování udržitelné vodíkové ekonomiky vyžaduje čisté a účinné způsoby výroby vodíku ve velkém měřítku. Jedním z obzvláště atraktivních přístupů je fotokatalýza, která využívá materiály zvané fotokatalyzátory k rozkladu vody na vodík a kyslík pomocí slunečního světla.

Budování udržitelné vodíkové ekonomiky vyžaduje čisté a účinné způsoby výroby vodíku ve velkém měřítku. Jedním z obzvláště atraktivních přístupů je fotokatalýza, která využívá materiály zvané fotokatalyzátory k rozkladu vody na vodík a kyslík pomocí slunečního světla. Mezi mnoha dosud zkoumanými materiály pro tento účel si velkou pozornost získaly oxidy cínu díky své nízké toxicitě, stabilitě a nízkým nákladům. V roce 2023 vědci objevili nový polymorf oxidu cínu, orthorhombický trioxid cínu (o-Sn3O4), a označili jej za slibného kandidáta pro solární energetické aplikace. Zlepšení fotokatalytického výkonu o-Sn3O4 se však ukázalo jako náročné. Jednou ze známých strategií pro zvýšení účinnosti fotokatalyzátorů je dopování, tedy zavádění cizích iontů do krystalové mřížky materiálu za účelem úpravy jeho vlastností. U nově objevených materiálů, jako je o-Sn3O4, je však identifikace funkčních dopantů převážně otázkou pokusů a omylů, což je pomalé a náročné na zdroje.

Pro řešení této výzvy se výzkumný tým vedený profesorem Masahirem Miyauchim z Tokijského institutu vědy obrátil k technice materiálové informatiky, aby zefektivnil hledání. Jejich práce popisuje, jak použili počítačové simulace k identifikaci životaschopných dopantů pro o-Sn3O4 a následně své předpovědi experimentálně ověřili. Tým využil metodu zvanou výpočty strojového učení interatomického potenciálu (MLIP), která odhaduje termodynamickou stabilitu dopovaných krystalových struktur mnohem efektivněji než konvenční výpočetní metody. Simulací chování různých iontů při jejich zavádění do mřížky o-Sn3O4 byli vědci schopni předpovědět, které dopanty budou stabilně dopovány. Toto screeningové testování identifikovalo několik stabilních kandidátů, včetně iontů Al3+, B3+, Sr2+ a Y3+.

Na základě těchto předpovědí vědci syntetizovali dopované vzorky hydrotermální metodou. Jejich experimenty potvrdily výpočetní výsledky; ionty, u nichž se předpokládala stabilita, úspěšně vytvořily orthorhombickou fázi, zatímco jiné vedly k odlišným krystalovým strukturám. Ze všech testovaných vzorků vynikl o-Sn3O4 dopovaný hliníkem (Al-dopovaný), který pod viditelným světlem produkoval 16krát více vodíku než nedopovaný materiál.

Pro lepší pochopení, proč dopování hliníkem fungovalo tak dobře, vědci také vyrobili tenké filmy s různými hustotami dopingu. Zjistili, že 5% dopování hliníkem vedlo k nejlepšímu výkonu, protože zlepšilo krystalinitu, optimalizovalo tvar částic a zvýšilo separaci nosičů náboje generovaných světlem.

Studie demonstruje účinnost výpočtů MLIP pro urychlení objevování funkčních materiálů a etabluje Al-dopovaný o-Sn3O4 jako slibný fotokatalyzátor nové generace aktivní ve viditelném světle. Kromě tohoto konkrétního materiálu práce týmu ukazuje, jak efektivně využít výpočty MLIP. Zjednodušením hledání kandidátských dopantů a zaměřením experimentálního úsilí tam, kde je to nejdůležitější, by tato strategie mohla výrazně urychlit vývoj technologií čisté energie nové generace.