利用太阳能以低成本从水中获取氢，可以帮助替代碳基燃料来源，并减少全球的碳足迹。然而，寻找能够促进氢生产的材料，使其能够在经济上与碳基燃料竞争，迄今仍是一个不可克服的挑战。
在一项研究中，一个由宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组报告说，他们已经迈出了一步，通过使用超级计算机寻找可以加速水暴露在光下时氢分离的材料，这一过程被称为光催化。
材料科学与工程副教授Ismaila Dabo说，电能和太阳能都可以用来从水中分离氢，水是由两个氢原子和一个氧原子组成的。计算与数据科学研究所(ICDS)隶属于能源与环境研究所，是该研究所共同资助的教员。利用阳光发电来产生氢，电解，反过来，可能会转化为电力，可能在技术上或经济上都不有利。虽然利用太阳能直接从水中产生氢——或光催化——避免了额外的步骤，但研究人员还没有能够以一种与汽油等碳基燃料竞争的方式，直接利用太阳能进行氢转换。
研究人员在《能源与环境科学》(Energy and Environmental Science)杂志上发表了他们的发现，他们使用了一种名为“高通量材料筛选”(high throughput materials screening)的计算方法，将超过7万种不同化合物的名单缩小到6种有希望用于这些光催化剂的候选化合物。可以实现太阳能制氢过程，达博说。
他们检查了材料项目数据库中列出的化合物，该数据库是一个在线开放获取的已知和预测材料库。该团队开发了一种算法，以识别材料的特性，使它们适合于氢生产过程的光催化剂。例如，研究人员研究了这种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Héctor Abruña密切合作;宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授Venkatraman Gopalan;宾夕法尼亚州立大学(Penn State)化学教授雷蒙德·沙克(Raymond Schaak);他们还研究了能有效分解水的材料，以及具有良好化学稳定性的材料。
“我们相信，我们已经开发的综合计算-实验工作流可以大大加快高效光催化剂的发现，”研究生研究助理、论文第一作者之一熊毅煌(Yihuang Xiong)说。“我们希望，通过这样做，我们将能够降低氢生产的成本。”
Dabo补充说，他们的团队专注于氧化物——至少由一个氧原子组成的化合物——因为它们可以在合理的时间内用标准的工艺合成。这项工作需要跨学科的合作，这对研究团队来说是一种学习经验。
“我发现在这样一个合作项目上工作是非常有益的，”该论文的合著者、博士生尼科尔·基什纳-霍尔(Nicole Kirchner-Hall)说。“作为一名专门研究计算材料科学的研究生，我能够利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机构的实验合作者合作，共同验证我们的计算预测。”
达博说，其他研究人员此前对几种利用太阳能发电的选择进行了经济分析，并确定太阳能可以降低制氢价格，与汽油竞争。
达博说:“他们的基本结论是，如果你能够开发这项技术，你就可以以每加仑汽油1.6到3.20美元的成本生产氢。”“所以，与汽油相比，汽油大约是3美元一加仑，如果这可行，在理想情况下，你可以花1.6美元购买与一加仑汽油相同的能量。”
他补充说，如果一种催化剂可以帮助提高太阳能氢的生产，这可能导致氢价格与汽油竞争。
该团队依靠宾夕法尼亚州立大学ICDS的Roar超级计算机进行计算。根据Dabo的说法，计算机是一个重要的工具，可以加快在特定工艺中找到合适的材料。这种计算驱动、数据密集的方法可能代表着效率上的一场革命，而不是艰苦的反复试验方法。
达博说:“当托马斯·爱迪生想要寻找灯泡的材料时，他在找到合适的灯泡材料之前，几乎看遍了世界上所有的材料。”“在这里，我们正试图做同样的事情，但在某种程度上是用计算机来加速这一过程。”
他补充说，计算机不会取代实验。
达波说:“计算机可以提出建议，确定哪些材料是最有前途的，然后你仍然需要做实验研究。”
达博说，他预计计算机的能力将简化寻找最佳候选人的过程，并大大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建议。基于这一初步调查，他们建议未来的工作可能专注于开发机器学习模型，以改进化学筛选过程。
Dabo还补充说，他们可能会研究氧化物之外的化合物，以确定它们是否可以作为太阳能制氢的催化剂。
达博说:“到目前为止，我们只在氧化物上进行了一个循环，这些氧化物主要是生锈的金属，但还有很多化合物可以制成，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。”
