Computersimuleringsmetoder hjælper med at fremskynde søgningen efter kulstoffangstmaterialer

I et forsøg på at reducere risiciene fra klimaændringer har NIST-forskere sat sig for at opdage nye materialer, der kan trække planetopvarmende kuldioxid (CO₂ ) ud af atmosfæren, en teknik kaldet "direkte luftindfangning."

Direkte luftindfangningsmaterialer findes allerede, men de koster enten for mange penge eller bruger for meget energi til at blive implementeret på globalt plan. NIST-forskere bruger computersimuleringer til hurtigt at screene hypotetiske materialer, der aldrig er blevet syntetiseret, men som måske har de helt rigtige fysiske egenskaber til at gøre denne teknologi skalerbar.

"Den traditionelle måde at screene materialer på er at syntetisere dem og derefter teste dem i laboratoriet, men det går meget langsomt," sagde NIST kemiingeniør Vincent Shen. "Computersimuleringer fremskynder opdagelsesprocessen enormt."

Shen og hans kolleger udvikler også nye beregningsmetoder, der vil accelerere søgningen endnu mere.

"Vores mål er at udvikle mere effektive modelleringsmetoder, der trækker så meget information ud af en simulering som muligt," sagde Shen. "Ved at dele disse metoder håber vi at fremskynde den beregningsmæssige opdagelsesproces for alle forskere, der arbejder inden for dette felt."

Direkte luftindfangning er vigtig, fordi menneskeheden allerede har ændret jordens atmosfære dybt – en tredjedel af al CO₂ i luften kom dertil som et resultat af menneskelig aktivitet. "Carbonopsamling er en måde at vende nogle af disse emissioner og hjælpe økonomien med at blive kulstofneutral hurtigere," sagde NIST-kemiker Pamela Chu, der leder agenturets nyligt lancerede initiativ til kulstoffangst.

En gang CO₂ er fanget, kan det bruges til at fremstille plast og kulfibre eller kombineres med brint til fremstilling af syntetiske brændstoffer. Disse anvendelser kræver energi, men kan være CO2-neutral, hvis de drives af vedvarende energi. Hvor vedvarende energi ikke er tilgængelig, CO₂ kan sprøjtes ind i dybe geologiske formationer med det mål at holde det fanget under jorden.

NIST-forskere bruger computersimuleringer, der beregner et potentielt opsamlingsmateriales affinitet for CO₂ i forhold til andre gasser i atmosfæren. Det giver dem mulighed for at forudsige, hvor godt indfangningsmaterialet vil fungere. Simuleringerne genererer også billeder, der viser, hvordan kulstoffangst fungerer på molekylær skala.

Porøse krystallinske materialer viser særligt lovende for at opfange CO₂ . Disse materialer består af atomer arrangeret i et gentaget tredimensionelt mønster, der efterlader hulrum mellem dem. I denne konceptuelle illustration repræsenterer de grå søjler et krystallinsk materiale, og de røde kugler er hulrummene.

Elektroner er ujævnt fordelt i krystalstrukturen, hvilket skaber et elektrisk felt, der er attraktivt nogle steder og frastødende andre. Konturerne af dette felt afhænger af typerne af atomer i krystallen og deres geometriske arrangement. Hvis alle kræfterne er lige på linje, CO₂ molekyler vil blive trukket ind i krystallens hulrum ved elektrostatisk tiltrækning.

Porøse krystallinske materialer kan syntetiseres med forskellige typer atomer, og atomerne kan konfigureres til mange forskellige geometrier. Permutationerne er stort set uendelige. Computersimuleringer giver videnskabsfolk mulighed for at udforske det enorme univers af muligheder.

"Vi kan forestille os materialer, der aldrig har eksisteret og forudsige, hvordan de ville fungere," sagde NIST kemiingeniør Daniel Siderius.

Computersimuleringerne kombinerer fysikkens regler med statistiske metoder til at forudsige, hvilken retning CO₂ molekyler ville bevæge sig, når de kommer i kontakt med et opfangningsmateriale - uanset om de ville blive trukket ind i hulrummene, diffundere ud i den omgivende luft eller bare hoppe rundt tilfældigt i en tilstand af ligevægt.

De fleste simuleringsmetoder forudsiger opførsel af et system ved en specificeret temperatur, tryk og tæthed. Men modelleringsmetoder fra NIST giver forskere mulighed for at ekstrapolere disse data til forskellige forhold.

"Sig, at du har estimeret adfærden ved en temperatur, men du vil vide, hvad der ville ske ved en anden temperatur. Typisk skal du køre en ny simulering," sagde Siderius. "Med vores værktøjer kan du ekstrapolere til forskellige temperaturer uden at skulle køre en ny simulering. Det kan spare en masse regnetid."

I øjeblikket fungerer den bedst ydende proces til kulstoffangst i industriel skala ved at boble luft gennem en kemisk opløsning. Men at fange CO₂ er kun halvdelen af ​​processen. Det skal derefter fjernes fra opløsningen, så det kan opbevares, og så opløsningen kan bruges igen. Dette kræver opvarmning af opløsningen til en høj temperatur, hvilket tager meget energi.

NIST-forskerne håber at finde et materiale, der vil udvinde CO₂ fra atmosfæren ved normale temperaturer og tryk, men frigiver det som reaktion på relativt små ændringer i varme eller tryk. Den ideelle proces vil være lavpris, både økonomisk og energimæssigt, og ikke producere giftige slutprodukter.

"Vi har ikke fundet de ideelle materialer endnu," sagde Siderius og talte om det bredere samfund af forskere, der arbejder på dette problem. "Men der er en masse potentielle materialer derude, og nye simuleringsmetoder kan hjælpe os med at finde dem hurtigere." + Udforsk yderligere

Nyt materiale kan 'fange giftige forurenende stoffer fra luft'