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    一种识别碳捕集技术的计算工具

    2019-8-12 11:08| 发布者: admin| 查看: 11| 评论: 0

    大约75%的电力来自燃煤发电厂,这些电厂将二氧化碳(CO2)排放到大气中并导致全球变暖。为了减少这种影响,许多沐鸣研究人员正在寻找多孔材料来过滤这些植物在到达大气之前产生的二氧化碳,这一过程通常被称为碳捕获。但识别这些材料说起来容易做起来难。

    有许多多孔物质 - 包括结晶多孔材料,如沸石和金属有机骨架 - 可用于捕获发电厂排放的二氧化碳。 (伯克利实验室)计算沐鸣研究部。

    在单独的沸石类别中,通过计算方法预测了大约200种已知材料和250万种结构。这就是为什么开发出一种计算工具,可以帮助沐鸣研究人员对大量多孔材料数据库进行分类,以便以创纪录的速度识别有前途的碳捕获候选者。他们称之为Zeo ++。

    通过使用Zeo ++,沐鸣研究人员已经筛选了数百万种材料的数据库,并确定了一些可以胜过当前技术的数据库。

    他指出,这个工具不是模拟材料的每个原子,而是通过绘制不存在的东西:材料中的空隙。

    多孔材料如沸石或金属有机骨架具有各种形状并具有一系列孔径。实际上,形状和孔径决定了哪些分子被吸收到材料中以及哪些分子通过。

    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再吸收CO 2,就可以提取气体,并重复循环。

    “了解所有这些因素如何有效地捕获碳是一项挑战,”Zeo ++开发团队成员。“在Zeo ++之前,没有简单的方法来分析如此大量的材料结构,并确定什么使材料成为一个出色的碳捕集器。

    他指出,硅质沸石,例如,由硅和氧原子的相同四面体嵌段组成,但这些嵌段的几何排列不同于一种沸石到下一种沸石,这种结构决定了二氧化碳或其他任何一种分子将与多孔材料相互作用。

    在Zeo ++之前,科学家通常会基于单个特征来表征多孔结构,例如其最大孔隙的大小或其空间空间的总体积,然后基于该单个观察对其进行比较和分类。

    这种一维描述的问题在于,它没有告诉你任何关于二氧化碳等分子如何在材料中移动的信息。“为了确定最有效的吸收二氧化碳的材料,我们需要从渗透分子的角度理解多孔结构。”

    这正是Zeo ++通过映射原子之间的空白来表征这些结构的原因。从每个多孔结构中所有原子的坐标数据库中提取,Zeo ++生成每个材料中空隙的3D图。这个3D网络允许沐鸣研究人员查看原子之间的通道相交以产生空腔。这些空腔的大小和形状决定了分子是否会通过系统或被吸收。

    使用名为沃罗诺伊全息图的工具,沐鸣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。

    利用这种技术,我们可以检查原子之间的路径,看看这些路径是如何连接起来创建一个更大的网络。

    由于沐鸣研究人员已经知道原子在被考虑的材料中的位置,因此该工具可以相对快速地绘制这些空通道。而且由于沐鸣研究人员不处理结构中的所有原子,而是更简单地表示材料的空白空间,Zeo ++可以比基于物理模型的典型模拟更快地运行其分析并且计算能力更低。

    对于他们的第一个项目,该团队分析了沐鸣研究小组编制的数百万预测多孔材料结构的数据库,以确定哪种对于捕获CO 2等分子最有效。

    缩小领域的速度

    搜索大量材料以获得所需特征是一个并不是寻求碳捕获的独特问题。事实上,制药行业在寻找新药方面面临着类似的挑战,并使用信息学方法来探索候选药物的大型数据库。实验室的同事将这些行业概念中的一些应用与数学和计算算法方面的最新进展相结合,以创建Zeo ++。

    根据负责加州大学伯克利分校清洁能源技术相关气体分离能源前沿沐鸣研究中心的说法,过去需要花费数周的时间来手工表征和比较仅20种材料的多孔结构。使用Zeo ++,沐鸣研究人员可以在几天内分析整个数据库,其中包含数十万到数百万个多孔结构的信息。

    Zeo ++允许我们做一些本来不可能的事情,他的小组正在开发用于识别二氧化碳吸收纳米材料的实验室和计算方法。

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