Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een aanzienlijke stap gezet in de richting van het begrijpen van een haalbaar proces voor directe luchtafvang, of DAC, van kooldioxide uit de atmosfeer. Dit DAC-proces bevindt zich in de beginfase van de ontwikkeling met als doel negatieve emissies te bereiken, waarbij de hoeveelheid koolstofdioxide die wordt verwijderd uit de omhulling van gassen rondom de aarde groter is dan de uitgestoten hoeveelheid.

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in Cell Reports Physical Science , gericht op de fundamentele stappen van het vastleggen van kooldioxide met behulp van waterige glycine, een aminozuur dat bekend staat om zijn absorberende eigenschappen. Door een reeks geavanceerde computermethoden te combineren, hebben de wetenschappers minder onderzochte dynamische verschijnselen in vloeibare oplossingen onderzocht die verband houden met de snelheid waarmee koolstofdioxide kan worden opgevangen.

"Chemische reacties in water zijn ingewikkeld, vooral wanneer de beweging van watermoleculen een grote rol speelt", zegt Santanu Roy, die samen met collega Vyacheslav Bryantsev het computationele onderzoek ontwierp. ‘Watermoleculen en chemicaliën zijn betrokken bij iets dat lijkt op een gekoppelde dans die de reactie marginaal of aanzienlijk kan vertragen. Het begrijpen van deze dynamische interacties, bekend als niet-evenwichtsoplosmiddeleffecten, is essentieel om een ​​volledig beeld te krijgen van hoe reacties werken en hoe snel ze plaatsvinden. "

De onderzoekers ontdekten dat bij het onderzoeken van de snelheid waarmee koolstofdioxide wordt geabsorbeerd, het uitsluitend focussen op de vrije energiebarrière – de energiedrempel die moet worden overwonnen voordat een systeem van de ene toestand naar de andere kan overgaan – een te grote vereenvoudiging is die niet het volledige effect biedt. afbeelding. Deze onvolledige benadering kan leiden tot een onnauwkeurig begrip van de reactiekinetiek, de factoren die de snelheid waarmee een reactie plaatsvindt beïnvloeden.

"We gebruikten een completere aanpak die rekening hield met de invloed van water op de beweging langs het reactiepad, en de uitkomst was intrigerend", zei Bryantsev. "De eerste stap, waarbij glycine interageert met koolstofdioxide, is bijna 800 keer langzamer vergeleken met de volgende stap, waarbij een proton vrijkomt om uiteindelijk een mengsel van producttoestanden te vormen om de geabsorbeerde koolstofdioxide vast te houden.

"Opvallend genoeg blijft de vrije energiebarrière voor beide stappen constant, en dus onderscheidt dit andere perspectief de snelheid van deze twee kritieke fasen echt van elkaar en biedt het een manier om de efficiëntie van de absorptie en scheiding van kooldioxide te vergroten."

De uitgebreide ab initio moleculaire dynamica-simulaties die in dit onderzoek werden gebruikt, waren nog steeds beperkt door hun korte tijds- en lengteschalen en de hoge rekenkosten bij het weergeven van de chemische reacties.

"Voor toekomstige projecten zijn we van plan de opkomende machine-learning-aanpak te combineren met zeer nauwkeurige simulaties en interatomaire interactiemogelijkheden te ontwikkelen op basis van diepe neurale netwerken. Dit zal ons in staat stellen om moleculaire simulaties met hoge nauwkeurigheid op grote schaal uit te voeren met aanzienlijk lagere rekenkosten, " zei Xinyou Ma, die de simulaties uitvoerde.

Roy voegde eraan toe:"Hoewel we een kinetisch beeld op moleculair niveau hebben geschetst van de koolstofdioxide-afvang door waterige aminozuren, zal het verkrijgen van toegang tot grote lengte- en tijdschalen door het gebruik van de machinale leerbenadering ons helpen de effecten van macroscopische factoren zoals temperatuur te begrijpen. , druk en viscositeit op DAC en hoe deze effecten verband houden met het bereikte moleculaire beeld."

Over het geheel genomen werpen de bevindingen van het onderzoek licht op de ingewikkelde werking van DAC en benadrukken ze de cruciale rol van kinetiek, thermodynamica en moleculaire interacties bij het verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer door waterige aminozuren. Naarmate deze mechanismen nauwkeuriger worden begrepen, zal het vooruitzicht van de inzet van een grootschalige DAC-technologie haalbaarder worden. Wereldwijd bevinden verschillende DAC-projecten zich in verschillende stadia van onderzoek, testen en ontwikkeling.

Meer informatie: Xinyou Ma et al, Een ab initio vrije energiestudie van het reactiemechanisme en snelheidsbeperkende stappen van CO2-afvang door waterige glycine, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101642

Journaalinformatie: Celrapporten natuurwetenschappen

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory