研究人员开发了识别碳捕获技术的计算工具

研究人员继续搜索滤除燃煤发电厂产生的二氧化碳的方法，在达到大气之前，该过程通常称为碳捕获。现在，劳伦斯伯克利国家实验室的科学家制定了一种计算工具，可以帮助研究人员通过庞大的多孔材料数据库来确定有前途的碳捕获候选人以记录速度。

美国大约75%的电力来自燃煤电厂，这些电厂向大气中排放二氧化碳(CO2)，导致全球变暖。为了减少这种影响，许多研究人员正在寻找多孔材料，在这些植物产生的二氧化碳进入大气之前将其过滤掉，这一过程通常被称为碳捕获。但是识别这些材料说起来容易做起来难。

“There are a number of porous substances—including crystalline porous materials, such as zeolites, and metal-organic frameworks—that could be used to capture carbon dioxide from power plant emissions,” says Maciej Haranczyk, a scientist in the Lawrence Berkeley National Laboratory’s (Berkeley Lab) Computational Research Division.

Haranczyk指出，仅在沸石这一类别中，就有大约200种已知材料和250万种通过计算方法预测的结构。这就是为什么Haranczyk和他的同事们开发了一种计算工具，它可以帮助研究人员整理海量的多孔材料数据库，以创纪录的速度识别有前景的碳捕捉候选材料。他们称之为Zeo++。

通过使用Zeo++，研究人员已经筛选了这样一个包含数百万种材料的数据库，并确定了一些性能优于当前技术的材料。

他注意到的工具，不是通过模拟每个工具原子一种材料，但通过绘制什么不存在：材料中的空隙。

服用分子的眼睛观

像沸石或金属有机骨架等多孔材料有多种形状，具有一系列孔径。它实际上是形状和孔径，确定哪些分子被吸收到材料中，并且将其通过。

与分子海绵一样，多孔材料也可以在捕获和释放的循环中重复使用。例如，在碳捕获的情况下，一旦材料饱和并且不能吸收任何CO 2，就可以提取气体，并且循环重复。

“了解所有这些因素如何结合以有效地捕获碳是一项挑战，”Zeo ++开发团队的成员和伯克利实验室计算研究部门的博士后研究员Richard Luis Martin说。“直到Zeo ++，没有简单的方法来分析这种大量的材料结构，并识别什么使材料成为优秀的碳捕手。”

他指出，硅沸石，采取一个示例，由相同的四面体块的硅和氧原子组成，但是这些块的几何布置与一个沸石不同于下一个沸石，并且这种配置决定了CO2或任何其他配置分子将与多孔材料相互作用。

在Zeo ++之前，科学家通常会根据单个特征表征多孔结构，如其最大孔径的大小或其空间总量，然后基于该单一观察进行比较和分类。

“这个一维描述的问题是它没有告诉你一些关于CO2的分子如何穿过材料的东西，”马丁说。“为了识别吸收二氧化碳的最有效材料，我们需要从渗透分子的角度来理解多孔结构。”

这正是为什么Zeo ++通过映射原子之间的空空间来表征这些结构。从每个多孔结构中的所有原子的坐标的数据库中绘制，Zeo ++在每种材料中产生空隙的3D地图。该3D网络允许研究人员看到原子之间的频道与创造空腔之间的频道。这些腔的尺寸和形状确定分子是否会通过系统或被吸收。

使用同样由伯克利实验室团队开发的Voronoi全息图工具，研究人员可以自动比较这些3D地图，以识别具有相似孔径和结构的材料。

“使用这种技术，我们可以检查原子之间的路径，并了解这些路径如何连接以创建更大的网络，”Martin说。

由于研究人员已经了解所考虑的材料中的原子的位置，因此该工具可以相对快速地描绘这些空通道。因此，研究人员在结构中没有处理所有原子，而是更简单的材料空间表示，Zeo ++可以更快地运行其分析，并且计算功率低于基于物理模型的典型模拟。

对于他们的第一个项目，该团队分析了米饭大学教授迈克尔认为和他的研究小组编制了数百万预测多孔材料结构的数据库，以确定哪些对捕获CO等分子最有效的₂。

更快地缩小场景

搜索广泛的材料以获得所需的特征是一个问题，这不是禁止碳捕获的独特问题。事实上，制药业面临着寻求新药的类似挑战，并使用信息学方法来探索大型药物候选人数据库。Haranczyk和他的伯克利实验室同事应用了一些这些行业概念，结合了数学和计算算法的最先进的进步来创建Zeo ++。

根据Berend Smit的介绍，在伯克利加州大学的Calkeley中提供了与Calkeley大学的清洁能源技术相关的天然气分离研究中心，它曾经需要数周才能手动表征和比较仅仅20材料的多孔结构。使用Zeo ++，研究人员可以分析整个数据库，其中几天内包含数十万到数百万多孔结构的信息。

“Zeo ++允许我们做任何那种物理上不可能的事情，”SMIT说，他的群体正在开发用于鉴定二氧化碳吸收纳米材料的实验室和计算方法。

除了Haranczyk和Martin，其他参与Zeo ++的发展的伯克利实验室研究人员是Chris Rycroft和Thomas Willems。zeo ++可以下载：www.carboncapturematerials.org/Zeo + +。

图片：劳伦斯伯克利国家实验室