计算机模拟方法有助于加快碳捕获材料的搜索

为了降低气候变化带来的风险，NIST的科学家们已经着手发现可以从大气中吸收导致地球变暖的二氧化碳(CO2)的新材料，这种技术称为“直接空气捕获”。

直接空气捕获材料已经存在，但它们要么花费太多钱，要么消耗太多能量，无法在全球范围内部署。NIST的科学家们正在使用计算机模拟来快速筛选从未合成但可能具有使这项技术可扩展的正确物理特性的假设材料。

“筛选材料的传统方法是合成它们，然后在实验室中进行测试，但这进展非常缓慢，”NIST化学工程师VincentShen说。“计算机模拟极大地加快了发现过程。”

沉和他的同事们也在开发新的计算方法，以进一步加速搜索。

“我们的目标是开发更有效的建模方法，尽可能多地从模拟中提取信息，”沉说。“通过分享这些方法，我们希望加快所有在该领域工作的研究人员的计算发现过程。”

直接空气捕获很重要，因为人类已经深刻地改变了地球的大气层——空气中三分之一的CO2是人类活动的结果。NIST化学家PamelaChu说：“碳捕获是扭转其中一些排放并帮助经济更快实现碳中和的一种方式，”该机构最近发起的碳捕获计划负责人PamelaChu说。

一旦CO2被捕获，它就可以用来制造塑料和碳纤维，或者与氢气结合来生产合成燃料。这些用途需要能源，但如果由可再生能源供电，则可以实现碳中和。在没有可再生能源的情况下，可以将CO2注入深层地质构造中，以保持其被困在地下。

NIST科学家使用计算机模拟计算潜在捕获材料相对于大气中其他气体对CO2的亲和力。这使他们能够预测捕获材料的性能。模拟还生成图像，显示碳捕获如何在分子尺度上起作用。

多孔结晶材料显示出捕获CO2的特殊前景。这些材料由以重复的三维图案排列的原子组成，在它们之间留下空隙。在这个概念图中，灰色条表示结晶材料，红色球体是空隙。

电子在晶体结构中分布不均，产生了在某些地方吸引而在其他地方排斥的电场。该场的轮廓取决于晶体中原子的类型及其几何排列。如果所有的力排列得恰到好处，CO2分子将通过静电引力被吸入晶体的空隙中。

多孔晶体材料可以用各种类型的原子合成，原子可以配置成许多不同的几何形状。排列几乎是无穷无尽的。计算机模拟使科学家能够探索广阔的可能性世界。

“我们可以想象从未存在过的材料并预测它们的性能，”NIST化学工程师DanielSiderius说。

计算机模拟将物理规则与统计方法相结合，以预测当CO2分子与捕获材料接触时它们会向哪个方向移动——它们是否会被吸入空隙、扩散到周围的空气中，或者只是四处弹跳随机处于平衡状态。

大多数模拟方法预测系统在指定温度、压力和密度下的行为。但是NIST的建模方法允许研究人员将这些数据外推到不同的条件。

“假设你已经估计了一个温度下的行为，但你想知道在不同温度下会发生什么。通常，你必须运行一个新的模拟，”Siderius说。“使用我们的工具，您可以推断不同的温度，而无需运行新的模拟。这可以节省大量的计算时间。”

目前，工业规模碳捕获性能最佳的工艺是通过化学溶液使空气鼓泡。但捕获CO2只是过程的一半。然后必须将其从溶液中取出，以便将其储存并再次使用该溶液。这需要将溶液加热到高温，这需要大量的能量。

NIST研究人员希望找到一种能够在常温常压下从大气中提取CO2的材料，但会在相对较小的热量或压力变化时释放它。理想的过程在经济和能源方面都是低成本的，并且不会产生有毒的最终产品。

“我们还没有找到理想的材料，”Siderius谈到正在研究这个问题的更广泛的科学家社区时说。“但是那里有很多潜在的材料，新的模拟方法可以帮助我们更快地找到它们。”