氢是一种高密度的能源载体，可替代不可再生和污染的石油基燃料用于运输。宾夕法尼亚州立大学、康乃尔大学和NREL大学的多学科研究团队展示了一种有效的筛选程序，以最大限度地提高太阳能制氢燃料材料发现的成功率。信用:宾夕法尼亚州立大学利用太阳能从水中廉价获取氢气，可以帮助替代碳基燃料来源，减少世界的碳足迹。然而，迄今为止，寻找能够提高氢产量的材料，使其能够在经济上与碳基燃料竞争，是一项不可克服的挑战。在一项研究中，宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组报告说，他们已经朝着克服廉价制氢的挑战迈出了一步，他们使用超级计算机来寻找有助于在水暴露在阳光下时加速氢分离的材料，这一过程被称为光催化。
根据材料科学与工程副教授伊斯梅拉·达波的说法，电能和太阳能都可以用来从水中分离氢，水由两个氢原子和一个氧原子组成。计算和数据科学研究所(ICDS)附属机构，能源和环境研究所共同资助的教员。利用太阳光发电产生氢气，电解反过来又可能转化为电能，这可能在技术上没有优势，在经济上也没有效益。虽然利用太阳能直接从水中制氢——或者说光催化——可以避免这一额外的步骤，但研究人员还没有能力利用太阳能直接转化氢，与汽油等碳基燃料竞争。
达波说，研究人员在《能源与环境科学》杂志上报告了他们的发现，他们使用了一种叫做高通量材料筛选的计算方法，将7万多种不同化合物的清单缩小到6种有希望成为这些光催化剂的候选化合物，这些光催化剂加入水中后，可以启动太阳能制氢过程。
他们检查了材料项目数据库中列出的化合物，这是一个已知和预测材料的在线开放存取存储库。该团队开发了一种算法来识别材料的性质，这将使它们成为制氢过程中合适的光催化剂。例如，研究人员调查了材料吸收阳光的理想能量范围——或带隙。与康奈尔大学化学教授埃克托尔·阿布鲁尼亚密切合作；宾大材料科学与工程教授文卡特拉曼·戈帕兰；宾夕法尼亚州立大学化学教授雷蒙德·沙克；他们还研究了能够有效分解水的材料，以及具有良好化学稳定性的材料。
“我们相信，我们开发的集成计算-实验工作流程可以大大加速高效光催化剂的发现，”研究生研究助理、该论文的第一作者之一熊毅煌说。“我们希望，通过这样做，我们将能够降低制氢成本。”
达波补充说，该团队专注于氧化物——至少由一个氧原子组成的化合物——因为它们可以使用标准工艺在合理的时间内合成。这项工作需要跨学科的合作，这是研究团队的学习经历。
该论文的合著者、博士生妮可·基什内尔·霍尔说:“我发现参与这样一个合作项目非常有益。“作为一名专门研究计算材料科学的研究生，我能够使用计算预测可能的光催化材料，并与宾夕法尼亚州立大学和其他研究所的实验合作者合作，共同验证我们的计算预测。”
达波说，其他研究人员此前对利用太阳能发电的几种选择进行了经济分析，并确定solar可以降低制氢价格，与汽油竞争。
“他们的基本结论是，如果你能够开发这项技术，你可以以每加仑汽油1.60至3.20美元的成本生产氢气，”达波说。“因此，将它与汽油进行比较，汽油的价格约为每加仑3美元，如果这种方法可行，在理想情况下，你可以为大约相当于一加仑汽油的能量支付低至1.60美元的价格。”
他补充说，如果一种催化剂可以帮助提高太阳能制氢，这可能会导致氢气价格与汽油竞争。
该团队依靠宾夕法尼亚州立大学ICDS分校的“咆哮”超级计算机进行计算。根据达波的说法，计算机是加快寻找用于特定工艺的合适材料的重要工具。这种计算量大、数据密集的方法可能代表着效率上的一场革命，超越了艰苦的试错法。
达波说:“当托马斯·爱迪生想找到灯泡的材料时，他几乎研究了阳光下的每一种材料，直到找到合适的灯泡材料。“在这里，我们试图做同样的事情，但以一种使用计算机来加速这一过程的方式。”
他补充说，计算机不会取代实验。
达波说:“计算机可以就什么材料最有希望提出建议，然后你仍然需要做实验研究。
达波说，他预计计算机的力量将简化寻找最佳候选人的过程，并大幅缩短在实验室设计材料并将其推向市场以满足需求的时间。
研究人员评估了机器学习算法，为可以合成并用作太阳能制氢催化剂的化学物质提出了建议。基于这一初步调查，他们建议未来的工作可以集中在开发机器学习模型来改善化学筛选过程。
达波还补充说，他们可能会研究氧化物以外的化合物，以确定它们是否可以作为太阳能制氢的催化剂。
达波说:“到目前为止，我们对氧化物——基本上是生锈的金属——进行了一个循环的这一过程，但是有很多化合物可以制造出来，它们不是基于氧气的。"例如，我们可以探索基于氮或硫的化合物."
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