In een poging om de risico's van klimaatverandering te verminderen, hebben NIST-wetenschappers nieuwe materialen ontdekt die planeetverwarmende koolstofdioxide (CO₂) kunnen aanzuigen. ) uit de atmosfeer, een techniek die 'directe luchtvangst' wordt genoemd.

Directe luchtafvangmaterialen bestaan ​​al, maar ze kosten te veel geld of verbruiken te veel energie om op wereldschaal te kunnen worden ingezet. NIST-wetenschappers gebruiken computersimulaties om snel hypothetische materialen te screenen die nog nooit zijn gesynthetiseerd, maar die misschien precies de juiste fysieke eigenschappen hebben om deze technologie schaalbaar te maken.

"De traditionele manier om materialen te screenen is om ze te synthetiseren en ze vervolgens in het laboratorium te testen, maar dat gaat erg traag", zegt NIST-chemisch ingenieur Vincent Shen. "Computersimulaties versnellen het ontdekkingsproces enorm."

Shen en zijn collega's ontwikkelen ook nieuwe rekenmethoden die het zoeken nog meer zullen versnellen.

"Ons doel is om efficiëntere modelleringsmethoden te ontwikkelen die zoveel mogelijk informatie uit een simulatie halen", zei Shen. "Door deze methoden te delen, hopen we het computationele ontdekkingsproces te versnellen voor alle onderzoekers die op dit gebied werken."

Directe luchtopvang is belangrijk omdat de mensheid de atmosfeer van de aarde al ingrijpend heeft veranderd - een derde van alle CO₂ in de lucht is daar terechtgekomen als gevolg van menselijke activiteit. "Het afvangen van koolstof is een manier om een ​​deel van die uitstoot terug te draaien en de economie te helpen sneller koolstofneutraal te worden", zegt NIST-chemicus Pamela Chu, die leiding geeft aan het onlangs gelanceerde initiatief voor koolstofafvang van het bureau.

Eenmaal CO₂ wordt opgevangen, kan het worden gebruikt om kunststoffen en koolstofvezels te maken of in combinatie met waterstof om synthetische brandstoffen te produceren. Deze toepassingen vereisen energie, maar kunnen CO2-neutraal zijn als ze worden aangedreven door hernieuwbare energiebronnen. Waar hernieuwbare energie niet beschikbaar is, is de CO₂ kan worden geïnjecteerd in diepe geologische formaties met als doel het ondergronds te houden.

NIST-wetenschappers gebruiken computersimulaties die de affiniteit van een potentieel vangmateriaal voor CO₂ . berekenen opzichte van andere gassen in de atmosfeer. Zo kunnen ze voorspellen hoe goed het vangmateriaal zal presteren. De simulaties genereren ook beelden die laten zien hoe koolstofafvang op moleculaire schaal werkt.

Poreuze kristallijne materialen zijn veelbelovend voor het opvangen van CO₂ . Deze materialen bestaan ​​uit atomen die zijn gerangschikt in een herhalend driedimensionaal patroon dat holtes ertussen laat. In deze conceptuele illustratie vertegenwoordigen de grijze balken een kristallijn materiaal, en de rode bollen zijn de holtes.

Elektronen zijn ongelijk verdeeld in de kristalstructuur, waardoor een elektrisch veld ontstaat dat op sommige plaatsen aantrekkelijk is en op andere weerzinwekkend. De contouren van dat veld zijn afhankelijk van de soorten atomen in het kristal en hun geometrische rangschikking. Als alle krachten precies goed zijn uitgelijnd, CO₂ moleculen worden door elektrostatische aantrekking in de holtes van het kristal getrokken.

Poreuze kristallijne materialen kunnen worden gesynthetiseerd met verschillende soorten atomen en de atomen kunnen worden geconfigureerd in veel verschillende geometrieën. De permutaties zijn vrijwel eindeloos. Computersimulaties stellen wetenschappers in staat om dat enorme universum van mogelijkheden te verkennen.

"We kunnen ons materialen voorstellen die nooit hebben bestaan ​​en voorspellen hoe ze zouden presteren", zegt chemisch ingenieur Daniel Siderius van NIST.

De computersimulaties combineren de regels van de fysica met statistische methoden om te voorspellen in welke richting CO₂ moleculen zouden bewegen wanneer ze in contact komen met een vangmateriaal - of ze nu in de holtes zouden worden gezogen, naar de omringende lucht zouden diffunderen of gewoon willekeurig in een staat van evenwicht zouden stuiteren.

De meeste simulatiemethoden voorspellen het gedrag van een systeem bij een bepaalde temperatuur, druk en dichtheid. Maar met modelleringsmethoden van NIST kunnen onderzoekers die gegevens extrapoleren naar verschillende omstandigheden.

"Stel dat je het gedrag bij één temperatuur hebt geschat, maar je wilt weten wat er zou gebeuren bij een andere temperatuur. Normaal gesproken zou je een nieuwe simulatie moeten uitvoeren," zei Siderius. "Met onze tools kun je extrapoleren naar verschillende temperaturen zonder dat je een nieuwe simulatie hoeft uit te voeren. Dat kan veel rekentijd besparen."

Momenteel werkt het best presterende proces voor het afvangen van koolstof op industriële schaal door lucht door een chemische oplossing te laten borrelen. Maar het vastleggen van de CO₂ is slechts de helft van het proces. Het moet dan uit de oplossing worden verwijderd, zodat het kan worden bewaard en zodat de oplossing opnieuw kan worden gebruikt. Dit vereist het verwarmen van de oplossing tot een hoge temperatuur, wat veel energie kost.

De NIST-onderzoekers hopen een materiaal te vinden dat CO₂ . zal extraheren uit de atmosfeer bij normale temperaturen en drukken, maar laat het vrij als reactie op relatief kleine veranderingen in warmte of druk. Het ideale proces is goedkoop, zowel financieel als qua energie, en levert geen giftige eindproducten op.

"We hebben de ideale materialen nog niet gevonden", zei Siderius, sprekend over de bredere gemeenschap van wetenschappers die aan dit probleem werken. "Maar er zijn veel potentiële materialen en nieuwe simulatiemethoden kunnen ons helpen ze sneller te vinden." + Verder verkennen

Nieuw materiaal kan 'giftige verontreinigende stoffen uit de lucht opvangen'