Un modello che considera 9.389 reazioni chimiche ha previsto una conversione della CO₂ circa 40 volte maggiore rispetto a un modello più piccolo e ha identificato metanolo e monossido di carbonio come prodotti principali. La rete più ampia ha inoltre rivelato un possibile percorso inatteso per il trasferimento dell’idrogeno durante la reazione. Lo studio, condotto da ricercatori dell’Indian Institute of Science (IISc), è stato pubblicato il 17 settembre 2026 su Nature Communications.
L’idrogenazione della CO₂ usa idrogeno e un catalizzatore per trasformare l’anidride carbonica in sostanze utili, tra cui il metanolo, impiegato nei combustibili e nella produzione industriale. Sulla superficie del catalizzatore si formano numerosi composti intermedi e possono avvenire molte reazioni concorrenti. Calcolare ogni possibile passaggio con la meccanica quantistica richiede grandi risorse di calcolo: per questo, di norma, i modelli prendono in esame solo una parte delle reazioni.
«Siamo partiti da una preoccupazione comune a chiunque si occupi di modellazione dei meccanismi: come si fa a sapere che nella rete di reazioni non sia stato omesso proprio il passaggio decisivo?», afferma il primo autore Anand Mohan Verma. Ha condotto la ricerca come borsista post-dottorato CV Raman all’IISc e ora è professore associato al Motilal Nehru National Institute of Technology Allahabad (MNNIT Allahabad).
Per affrontare il problema, il gruppo ha prima usato simulazioni quantomeccaniche per costruire una banca dati verificata di 152 reazioni. Ha poi addestrato modelli di apprendimento automatico a stimare le barriere energetiche di attivazione, cioè l’energia necessaria perché una reazione possa avvenire. Strumenti automatizzati hanno individuato possibili trasformazioni tra 105 specie chimiche presenti sulla superficie del catalizzatore e stabilito quali potessero svolgersi in un singolo passaggio. In questo modo la rete è stata estesa a 9.389 reazioni elementari.
Con il modello iniziale, basato sulle 152 reazioni, il prodotto principale previsto era l’acido formico, non il metanolo, e la quantità di CO₂ convertita risultava sottostimata. «Solo ampliando la rete e includendo migliaia di reazioni aggiuntive, prima trascurate, le previsioni si sono allineate con i risultati osservati sperimentalmente da noi e da altri», spiega l’autore corrispondente Ananth Govind Rajan, professore associato al Dipartimento di ingegneria chimica dell’IISc.
I ricercatori hanno inserito la rete ampliata in un modello cinetico, usato per calcolare come evolve il sistema chimico. La verifica sperimentale è stata svolta da G Valavarasu e Santhosh Kotni, del Green Research and Development Centre della Hindustan Petroleum Corporation Limited, insieme ad Amol Amrute e ai suoi colleghi dell’Agency for Science, Technology, and Research di Singapore. Ambedkar Dukkipati, professore al Dipartimento di informatica e automazione dell’IISc, ha contribuito allo sviluppo dei modelli di apprendimento automatico.
La rete più estesa ha fatto emergere anche un possibile meccanismo che i modelli convenzionali potrebbero non considerare. In alcune reazioni importanti, l’idrogeno potrebbe passare direttamente dalle molecole di H₂ ai composti intermedi, invece di trasferirsi soltanto dopo essersi separato in atomi. Calcoli quantomeccanici successivi hanno indicato che questo percorso può essere particolarmente favorevole quando l’idrogeno viene trasferito a intermedi contenenti ossigeno.
«L’idea che l’idrogeno possa trasferirsi come molecola intatta, senza prima scindersi in atomi, contrasta con ciò che è stato insegnato alla maggior parte di noi», afferma il coautore Shivam Chaturvedi, dottorando al Dipartimento di ingegneria chimica dell’IISc. «È emersa solo perché la rete era abbastanza ampia da contemplare questa possibilità, e l’osservazione è stata confermata quando siamo tornati a calcolare esplicitamente quei passaggi. Questo suggerisce anche che catalizzatori che interagiscono più fortemente con H₂ potrebbero favorire i percorsi che portano al metanolo».
I risultati potrebbero orientare la progettazione di catalizzatori, ma l’eventuale vantaggio di materiali che interagiscono più fortemente con H₂ deve essere approfondito. Il gruppo propone inoltre di adattare il metodo — che combina meccanica quantistica, apprendimento automatico, individuazione automatizzata delle reazioni e modellazione cinetica — ad altri processi industriali, come la riduzione della CO₂ con catalizzatori diversi, la riduzione dell’azoto e la scissione dell’acqua.
Lo studio, intitolato «Data-driven massive reaction networks reveal mechanistic pathways underlying catalytic CO2 hydrogenation», è firmato da Anand M. Verma, Shivam Chaturvedi, Swastik Paul, Srinibas Nandi, Rahul Sheshanarayana, Kotni Santhosh, G. Valavarasu, Ambedkar Dukkipati, Chuandayani Gunawan Gwie, Pei Ying Moo, Chun Qi Joy Ng, Amol Amrute e Ananth Govind Rajan. DOI: 10.1038/s41467-026-77080-4. Google Google News.
Fonte: scitechdaily.com
