美国研究人员正在使用计算机建模来增加碳捕获在电厂烟道中。计算机模型显示了哪些候选分子最擅长从电厂烟道中吸收二氧化碳、分子氮和其他温室气体。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)、明尼苏达大学和加州大学伯克利分校已经开发了这种开创性的模型。
该模型首次提供了烟道气和一种称为金属-有机框架(MOFs)的特殊气体捕获分子系统相互作用的精确模拟。
该系统将加快寻找成本效益更高、效率更高的燃煤方式，同时又不会增加煤炭消耗量气候变化．
这个模型的开发是由明尼苏达大学的化学教授Laura Gagliardi和国际分子模拟专家Berend Smit领导的。他还担任伯克利实验室材料科学部和加州大学伯克利分校的联合任命，指导伯克利的能源前沿研究中心。
Berend Smit说:“我们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——来正确预测带有开放金属位的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式MOFs的性能。”
两人在该杂志上发表了一篇论文化学性质这描述了这项研究，题目是从头开始开放金属-有机框架中的碳捕获．
合著者是林丽江、谢尔盖·马克西莫夫、艾莉森·祖巴克、约瑟夫·斯威舍、吉汉·金和罗伯塔·波洛尼。
由于美国拥有世界上最大的可开采煤炭储量，燃煤电厂很可能仍将是发电的重要来源。
但是，人们担心燃烧煤炭会导致全球气候变化，因此，迫切需要一种具有成本效益的方法，在温室气体进入大气层之前将其从烟道中去除。
目前提出的技术是基于胺或其他分子系统，但将使用发电厂产生的大约三分之一的能量。这种所谓的“寄生能量”将迅速增加电力成本。
MOFs是一种晶体分子系统，作为存储容器，像海绵一样捕获和容纳二氧化碳和其他气体。它们有一个金属氧化物中心，被有机“连接剂”分子包围，形成一个非常多孔的三维晶体框架。
当一个溶剂分子作为MOF被应用并随后被去除时，一个不饱和的“开放”金属位点MOF就形成了，它对二氧化碳有很强的亲和力。
Berend Smit解释说:“MOFs有一个非常大的内表面积，与其他常见的吸附剂相比，承诺非常具体的化学定制，可以显著降低燃煤电厂的寄生能源成本。
“然而，可能有数百万种MOFs的变化，从实际角度来看，我们只能合成这些材料的很小一部分，寻找合适的材料可能需要数年时间。我们的模型节省了时间，使我们能够只合成那些最理想的。”
为预测其他MOFs的吸附性能而建立的力场模型往往会将开放金属位MOFs的性能低估两倍。其原因是，与最初开发力场模型时考虑的MOFs相比，开放金属位MOFs施加不同的化学环境。
Berend Smit和他的团队通过使用量子化学计算和基于非经验模型势(NEMO)方法的计划，克服了开放式MOFs的挑战。
Berend Smit说:“在这种NEMO方法下，从量子化学计算中获得的总电子相互作用能被分解成各种贡献因素，如静电、排斥、分散等。”
“有了我们开发的模型，我们能够重现二氧化碳和分子氮的实验吸附等温线，并正确预测Mg-MOF-74在烟气条件下的混合等温线，这是一种开放的金属MOF，已经成为最有希望的二氧化碳捕获之一。”
Smit和他的同事的目标是继续发展不同金属、拓扑结构和连接器的广泛组合的力场模型。
他们已经开始将该模型应用于新的胺基系统，这种系统可以从烟道排放中去除二氧化碳。
这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持，部分通过天然气分离中心、能源前沿研究中心、美国能源部高级研究计划局和德国能源研究中心。
研究人员使用了伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心和分子铸造。
