Hledání ideálních materiálů pro zachycování uhlíku

Hledání ideálních materiálů pro zachycování uhlíku
Hledání ideálních materiálů pro zachycování uhlíku
Anonim

V posledních letech se jako slibný materiál pro zachycování uhlíku v elektrárnách objevila třída vysoce absorpčních nanoporézních materiálů nazývaných metal-organic frameworks (MOF). Ale najít optimální MOF pro nejlepší práci je jiný příběh.

„Lidé jsou z těchto materiálů opravdu nadšení, protože dokážeme vytvořit obrovskou rozmanitost a skutečně je vyladit,“řekl Randall Q. Snurr z Northwestern University. "Ale má to odvrácenou stranu. Pokud máte na mysli aplikaci, existují tisíce stávajících MOF a miliony potenciálních MOF, které byste mohli vytvořit. Jak najdete ten nejlepší pro danou aplikaci?"

Snurr, profesor chemického a biologického inženýrství John G. Searle, a jeho skupina objevili způsob, jak rychle identifikovat nejlepší kandidáty na zachycování uhlíku – za použití pouhého 1 procenta výpočetního úsilí, které bylo dříve nutné. Použitím genetického algoritmu rychle prohledali databázi 55 000 MOF.

"V minulosti jsme museli hodnotit všech 55 000 kandidátů po jednom," řekl Snurr. "Právě jsme jimi prošli a vypočítali všechny jejich vlastnosti. Tento genetický algoritmus vám umožňuje se tomu vyhnout."

Jeden z identifikovaných hlavních kandidátů, varianta NOTT-101, má vyšší kapacitu pro oxid uhličitý (CO2) než kterýkoli MOF uváděný ve vědecké literatuře pro příslušné podmínky. Tyto informace by mohly vést k návrhům pro nově zprovozněné čistší elektrárny.

"Procento oxidu uhličitého, které může MOF absorbovat, závisí na procesu," řekl Snurr."Cílem ministerstva energetiky je odstranit 90 procent oxidu uhličitého z elektrárny; je pravděpodobné, že proces využívající tento materiál by tento cíl mohl splnit."

S podporou Ministerstva energetiky USA se výzkum objevil online v časopise Science Advances. Yongchul G. Chung a Diego A. Gomez-Gualdron, bývalí postdoktorandi ve Snurrově laboratoři, byli spoluprvními autory článku. K práci přispěli severozápadní profesoři chemie J. Fraser Stoddart, Joseph Hupp a Omar Farha a také Fengqi You, bývalý profesor chemického a biologického inženýrství na Northwestern.

Se svými nanoskopickými póry a neuvěřitelně vysokým povrchem jsou MOF vynikající materiály pro skladování plynu. Obrovské vnitřní plochy MOF jim umožňují pojmout pozoruhodně velké objemy plynu. Objem některých krystalů MOF může být například velikost zrnka soli, ale vnitřní povrch, pokud by se rozvinul, by mohl pokrýt celé fotbalové hřiště.

Snurrova předchozí práce zkoumala, jak využít MOF k zachycení uhlíku ze stávajících elektráren během procesu po spalování. Asi 10 až 15 procent výfukových plynů z elektrárny tvoří CO2; zbytek tvoří hlavně dusík a vodní pára. Snurr a Hupp navrhli MOF, které dokáže tyto plyny třídit a zachycovat CO2 předtím, než vstoupí do atmosféry.

Nedávno Snurr připomněl, že tato metoda je po malém chemickém zpracování mnohem jednodušší. Chemické zpracování paliva před jeho vstupem do elektrárny z něj může přeměnit CO2 a vodík. Poté, co MOF zachytí CO2, vodík se spálí a jediným vedlejším produktem je voda. Tento zvláštní krok chemického zpracování by bylo nutné zabudovat do nových elektráren jako předspalovací proces.

"Na místech jako Čína, kde stále staví spoustu elektráren," řekl Snurr, "to by dávalo velký smysl."

Technika optimalizace, která napodobuje přirozený výběr, genetický algoritmus bere náhodnou populaci kandidátských řešení a vyvíjí je směrem k lepším řešením prostřednictvím mutací, křížení a výběru. Snurr řekl, že tato technika byla v minulosti aplikována na prověřování materiálů, ale ne při hledání nejlepších kandidátů pro proces předspalování, což popisuje jako „novou výzvu.“

Pro řešení zachycování uhlíku při předspalování určil genetický algoritmus NOTT-101 jako hlavního kandidáta. (Materiál je pojmenován po Nottinghamu, místě, kde bylo MOF poprvé objeveno.) Hupp a Farha vytvořili variantu NOTT-101 a testovali ji v laboratoři. Ze všech MOF, které byly hodnoceny pro předspalování, měl tento materiál nejvyšší kapacitu pro zachycování uhlíku a dobrou selektivitu pro zachycení CO2 za účelem jeho třídění z vodíku.

"Zpočátku jsem si nebyl jistý, jak dobře bude tento algoritmus fungovat," řekl Snurr. "Ale použití pouhého 1 procenta obvyklého výpočetního úsilí je významným zlepšením rychlosti. Je to velmi vzrušující."

Populární téma