В последние годы класс высокоабсорбирующих нанопористых материалов, называемых металлоорганическими каркасами (MOF), стал перспективным материалом для улавливания углерода на электростанциях. Но поиск оптимального MOF для наилучшей работы - это совсем другая история.
«Люди в восторге от этих материалов, потому что мы можем производить огромное разнообразие и действительно настраивать их», - сказал Рэндалл К. Снурр из Северо-Западного университета. «Но у этого есть и обратная сторона. Если вы задумали приложение, вы можете создать тысячи существующих MOF и миллионы потенциальных MOF. Как найти лучший вариант для данного приложения?"
Снурр, профессор химической и биологической инженерии Джона Дж. Серла, и его группа открыли способ быстрого выявления лучших кандидатов на улавливание углерода, используя всего 1 процент вычислительных усилий, которые требовались ранее. Применив генетический алгоритм, они быстро просмотрели базу данных из 55 000 MOF.
«Раньше нам приходилось оценивать всех 55 000 кандидатов по одному», - сказал Снурр. «Мы просто прошлись по ним и рассчитали все их свойства. Этот генетический алгоритм позволяет вам этого избежать».
Один из идентифицированных лучших кандидатов, вариант NOTT-101, имеет более высокую способность к двуокиси углерода (CO2), чем любой MOF, описанный в научной литературе для соответствующих условий. Эта информация может привести к проектированию новых, более чистых электростанций.
«Процент углекислого газа, который может поглотить MOF, зависит от процесса», - сказал Снурр.«Цель Министерства энергетики состоит в том, чтобы удалить 90 процентов углекислого газа из электростанции; вполне вероятно, что процесс, использующий этот материал, может достичь этой цели».
Исследование, проведенное при поддержке Министерства энергетики США, появилось в Интернете в журнале Science Advances. Йонгчул Г. Чанг и Диего А. Гомес-Гуальдрон, бывшие научные сотрудники лаборатории Снурра, были соавторами статьи. Профессора химии Северо-Запада Дж. Фрейзер Стоддарт, Джозеф Хапп и Омар Фарха внесли свой вклад в работу, а также Фэнци Ю, бывший профессор химической и биологической инженерии в Северо-Западном университете.
С их наноскопическими порами и невероятно большой площадью поверхности MOF являются отличными материалами для хранения газа. Огромные площади внутренней поверхности MOF позволяют им удерживать очень большие объемы газа. Объем некоторых кристаллов MOF может быть, например, размером с крупицу соли, но площадь внутренней поверхности, если их развернуть, может покрыть целое футбольное поле.
В предыдущей работе Снурра изучалось, как использовать MOF для улавливания углерода с существующих электростанций в процессе дожигания. От 10 до 15 процентов выхлопных газов электростанции составляют CO2; остальное в основном азот и водяной пар. Снурр и Хапп разработали MOF, который может сортировать эти газы для улавливания CO2 до того, как он попадет в атмосферу.
Недавно Снурр напомнил, что метод стал намного проще после небольшой химической обработки. Химическая обработка топлива перед подачей на электростанцию может превратить его в CO2 и водород. После того, как MOF улавливает CO2, водород сжигается, и единственным побочным продуктом является вода. Этот дополнительный этап химической обработки должен быть встроен в новые электростанции в качестве процесса предварительного сжигания топлива.
«В таких местах, как Китай, где до сих пор строят много электростанций, - сказал Снурр, - это имело бы большой смысл».
Техника оптимизации, имитирующая естественный отбор, генетический алгоритм берет случайную совокупность решений-кандидатов и развивает их в направлении лучших решений посредством мутаций, скрещивания и отбора. Снурр сказал, что этот метод применялся для скрининга материалов в прошлом, но не для поиска лучших кандидатов для процесса предварительного сжигания, который он описывает как «новую задачу»..
Чтобы решить проблему улавливания углерода при предварительном сжигании, генетический алгоритм определил NOTT-101 как главного кандидата. (Материал назван в честь Ноттингема, места, где MOF был впервые обнаружен.) Хапп и Фарха создали вариант NOTT-101 и протестировали его в лаборатории. Из всех MOF, которые были оценены для предварительного сжигания, этот материал имел самую высокую способность улавливать углерод и хорошую селективность для захвата CO2, чтобы отделить его от водорода.
«Изначально я не был уверен, насколько хорошо этот алгоритм будет работать», - сказал Снурр. «Но использование всего лишь 1% обычных вычислительных ресурсов - это значительное улучшение скорости. Это очень интересно».