Forskere afkoder vandige aminosyrer potentiale for direkte luftindfangning af CO₂

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har gjort et betydeligt fremskridt i retning af at forstå en levedygtig proces til direkte luftindfangning, eller DAC, af kuldioxid fra atmosfæren. Denne DAC-proces er i tidlig udvikling med det formål at opnå negative emissioner, hvor mængden af ​​kuldioxid, der fjernes fra hylsteret af gasser, der omgiver Jorden, overstiger den udledte mængde.

Forskningen er for nylig offentliggjort i Cell Reports Physical Science , fokuseret på de grundlæggende trin i kuldioxidbinding ved hjælp af vandig glycin, en aminosyre kendt for sine absorberende egenskaber. Ved at kombinere en række avancerede beregningsmetoder undersøgte forskerne mindre udforskede dynamiske fænomener i flydende opløsninger relateret til den hastighed, hvormed kuldioxid kan opfanges.

"Kemiske reaktioner i vand er komplicerede, især når bevægelsen af ​​vandmolekyler spiller en stor rolle," sagde Santanu Roy, der har designet den beregningsmæssige undersøgelse sammen med kollegaen Vyacheslav Bryantsev. "Vandmolekyler og kemikalier engagerer sig i noget, der ligner en koblet dans, der kan bremse reaktionen marginalt eller betydeligt. At forstå disse dynamiske interaktioner, kendt som ikke-ligevægtsopløsningseffekter, er afgørende for at få det fulde billede af, hvordan reaktioner fungerer, og hvor hurtigt de sker. "

Forskerne opdagede, at når man undersøgte hastigheden, hvormed kuldioxid absorberes, og udelukkende fokuserer på den frie energibarriere - den energitærskel, der skal overvindes, for at et system kan skifte fra en tilstand til en anden - er en overforenkling, der ikke giver den fulde billede. Denne ufuldstændige tilgang kan føre til en unøjagtig forståelse af reaktionskinetik, de faktorer, der påvirker den hastighed, hvormed en reaktion opstår.

"Vi brugte en mere komplet tilgang, der overvejer vandets indflydelse på bevægelsen langs reaktionsvejen, og resultatet var spændende," sagde Bryantsev. "Det indledende trin, hvor glycin interagerer med kuldioxid, er næsten 800 gange langsommere sammenlignet med det næste trin, hvor en proton frigives for i sidste ende at danne en blanding af produkttilstand til at holde på den absorberede kuldioxid.

"Det er slående, at den frie energibarriere forbliver konstant for begge trin, og så dette forskellige perspektiv adskiller virkelig hastigheden af ​​disse to kritiske stadier og tilbyder en vej til at øge effektiviteten af ​​kuldioxidabsorption og -separation."

De omfattende ab initio molekylær dynamik-simuleringer, der blev brugt i denne undersøgelse, var stadig begrænset af deres korte tids- og længdeskalaer og høje beregningsomkostninger til at repræsentere de kemiske reaktioner.

"For fremtidige projekter har vi til hensigt at kombinere den nye maskinlæringstilgang med meget nøjagtige simuleringer og udvikle interatomiske interaktionspotentialer baseret på dybe neurale netværk. Dette vil give os mulighed for at udføre molekylære simuleringer med høj nøjagtighed i store skalaer med væsentligt reducerede beregningsomkostninger, " sagde Xinyou Ma, der udførte simuleringerne.

Roy tilføjede:"Mens vi har skildret et kinetikbillede på molekylært niveau af kuldioxidopfangning af vandige aminosyrer, vil adgang til store længde- og tidsskalaer gennem brugen af ​​maskinlæringstilgangen hjælpe os med at forstå virkningerne af makroskopiske faktorer såsom temperatur , tryk og viskositet på DAC og hvordan disse effekter er relateret til det opnåede molekylære billede."

Samlet set kaster undersøgelsens resultater lys over DAC's indviklede virkemåde og understreger kinetikkens, termodynamikkens og molekylære interaktioners vitale rolle i fjernelse af kuldioxid fra atmosfæren af ​​vandige aminosyrer. Efterhånden som disse mekanismer bliver mere præcist forstået, vil udsigten til at implementere en storstilet DAC-teknologi blive mere gennemførlig. På verdensplan er flere forskellige DAC-projekter i forskellige stadier af forskning, test og udvikling.

Flere oplysninger: Xinyou Ma et al., En ab initio fri energiundersøgelse af reaktionsmekanismen og hastighedsbegrænsende trin ved CO2-opsamling med vandig glycin, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101642

Journaloplysninger: Cell Rapporter Fysisk Videnskab

Leveret af Oak Ridge National Laboratory