计算机模式有助于从发电厂中删除温室气体

一种计算机模型,可以识别出去除二氧化碳的最佳候选分子

开放式金属位点MOF是结晶分子系统,可作为储存容器作为海绵状能力,以在进入大气之前捕获和含有二氧化碳和其他烟道气。图片由Berend Smit提供

一支科学家队制定了一种计算机模型,可以识别用于从发电厂去除温室气体的最佳分子候选,提供烟道气和金属 - 有机框架之间的相互作用的准确模拟。

A computer model that can identify the best molecular candidates for removing carbon dioxide, molecular nitrogen and other greenhouse gases from power plant flues has been developed by researchers with the U.S. Department of Energy (DOE)’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), the University of California (UC) Berkeley and the University of Minnesota. The model is the first computational method to provide accurate simulations of the interactions between flue gases and a special variety of the gas-capturing molecular systems known as metal-organic frameworks (MOF)。它应该大大加快寻找新的低成本和有效的方式来燃烧煤炭而不会加剧全球气候变化。

Berend Smit., an international authority on molecular simulations who holds joint appointments with Berkeley Lab’s Materials Sciences Division and UC Berkeley where he directs Berkeley’s Energy Frontier Research Center, co-led the development of this computational model with Laura Gagliardi, a chemistry professor at the University of Minnesota.

Smit说:“我们已经开发了一种新的计算方法,可以产生精确的力场——描述分子系统势能的参数——来正确预测具有开放金属位的MOFs对二氧化碳和分子氮的吸附。”“之前开发这种方法的所有尝试都失败了,大多数人放弃了尝试,但我们的模型适用于广泛的系统,可以用来预测尚未合成的开放位点MOFs的性能。”

Berend Smit.

Berend Smit是一个国际分子模拟的权威,培养伯克利实验室的材料科学师和UC Berkeley的联合任用,在那里他指导伯克利能源前沿研究中心。

smit和gagliardi是一个相应的作者论文中关于本质上的研究yabovip2021。本文在开放式金属 - 有机框架中标题为“AB Initio碳捕获”。共同作者是Allison Dzubak,李清林,吉汉金,约瑟夫·斯威尔,Roberta Poloni和Sergey Maximoff。

鉴于美国拥有世界上最大的煤炭估计可收回储量,燃煤电厂将继续成为可预见的未来的国家发电的主要来源。然而,由于对全球气候变化的燃烧煤炭贡献的担忧,迫切需要一种有效且经济地在这些气体进入大气之前从烟道中去除温室气体的有效和经济的手段。基于胺或其他分子系统的温室气体排放所提出的当前技术将使用电厂产生的大约三分之一的能量。这种“寄生能量”将大大推动电力价格。

MOF是结晶分子系统,可用作具有海绵状能力的储存容器,用于捕获和含有二氧化碳和其他气体。MOF由有机“接头”分子包围的金属氧化物中心组成,以形成高度多孔的三维晶体框架。当在形成MOF期间施加溶剂分子并且随后除去时,结果是不饱和的“露天”金属位点MOF,其对二氧化碳具有特别强的亲和力。

“MOF有一个极大的内表面积,而且与其他常见的吸附剂相比,承诺非常具体的化学定制,并且可以大大降低燃煤发电厂中的寄生能源成本,”SMIT说。yabovip2021“然而,潜在数百万的MOF变化和自实际的角度来看,我们只能合成这些材料的非常小的部分,对正确的人来说可能需要数年。我们的模型通过使我们只能合成那些最受欢迎的人来节省这一时间。“

用于预测其他MOF的吸附性的力场模型通常低于开放金属位点MOF的性质,通过两个数量级。这是因为开放式金属部位MOF从武力场模型的原始开发中考虑的MOF施加非常不同的化学环境。SMIT和他的同事利用最先进的量子化学计算和基于非经验模型潜力(NEMO)方法的策略迎接开放网站MOF的挑战。

“根据这种Nemo方法,从量子化学计算获得的总电子相互作用能量分解成各种贡献因素,例如静电,排斥,分散等,”Smit说。“随着我们开发的模型,我们能够再现二氧化碳和分子氮的实验吸附等温线,并在Mg-Mof-74中正确预测烟道气条件下的混合物等温,这是一种作为其中一种的开放金属位点MOF最有希望的二氧化碳捕获。“

其方法的一般性应该使SMIT和他的同事能够为不同金属,接头和拓扑的广泛组合开发力现场模型。正在进行工作以将模型应用于新的基于胺类系统,以从烟道排气中除去二氧化碳。

该研究得到了Doe的科学办公室,部分通过气体分离中心,能源前沿研究中心和Doe的高级研究项目代理能源(ARPA-E),以及Deutsche Forschungsgemeinschaft。研究人员利用Berkeley Lab的国家能源研究科学计算中心和分子铸造,也由DOE科学办公室提供支持的设施。

图片:Berend Smit

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