Att utveckla katalysatorer för hållbar bränsle- och kemikalieproduktion kräver en sorts Guldlockseffekt – vissa katalysatorer är för ineffektiva medan andra är för oekonomiska. Katalysatortestning tar också mycket tid och resurser. Nya genombrott inom beräkningskvantumkemi, dock, lovar att upptäcka katalysatorer som är "precis rätt" och tusentals gånger snabbare än standardmetoder.

University of Pittsburgh Docent John A. Keith och hans labgrupp vid Swanson School of Engineering använder nya kvantkemiska beräkningsprocedurer för att kategorisera hypotetiska elektrokatalysatorer som är "för långsamma" eller "för dyra", mycket mer grundligt och snabbare än vad som ansågs möjligt för några år sedan. Keith är också Richard King Mellons fakultetsmedlem i energi vid Swanson Schools institution för kemi- och petroleumsteknik.

Keith Groups forskningssammanställning, "Beräkningskvantkemiska undersökningar av kemikalier/materialutrymme för effektiva elektrokatalysatorer, " visades denna månad i Gränssnitt , en kvartalstidning från The Electrochemical Society.

"I årtionden, katalysatorutveckling var resultatet av trial and error – år lång utveckling och testning i labbet, ger oss en grundläggande förståelse för hur katalytiska processer fungerar. I dag, beräkningsmodellering ger oss ny insikt om dessa reaktioner på molekylär nivå, "Keith förklarade. "Det mest spännande är dock beräkningskvantkemi, som kan simulera strukturerna och dynamiken hos många atomer samtidigt. Tillsammans med det växande området maskininlärning, vi kan snabbare och mer exakt förutsäga och simulera katalytiska modeller."

I artikeln, Keith förklarade ett tredelat tillvägagångssätt för att förutsäga nya elektrokatalysatorer:1) analysera hypotetiska reaktionsvägar; 2) förutsäga ideala elektrokemiska miljöer; och 3) screening med hög genomströmning som drivs av funktionell teori om alkemisk störningstäthet och maskininlärning. Artikeln förklarar hur dessa tillvägagångssätt kan förändra hur ingenjörer och forskare utvecklar elektrokatalysatorer som behövs för samhället.

"Dessa framväxande beräkningsmetoder kan tillåta forskare att vara mer än tusen gånger så effektiva på att upptäcka nya system jämfört med standardprotokoll, "Sa Keith." I århundraden har kemi och materialvetenskap förlitat sig på traditionella edisoniska modeller för laboratorieutforskning, som ger mycket fler misslyckanden än framgångar och därmed mycket bortkastad tid och resurser. Traditionell beräkningskvantkemi har påskyndat dessa ansträngningar, men de nyaste metoderna överbelastar dem. Detta hjälper forskare att bättre lokalisera de oupptäckta katalysatorer som samhället desperat behöver för en hållbar framtid."