發現捕碳材料的新雷達——遺傳算法

材料牛注： 溫室效應愈演愈烈，為緩解氣候變暖，各個領域的研究人員各施所長。一種材料計算方法的發現幫助我們發現更高效的碳吸附材料，解決氣候問題的曙光出現了。讓我們一起來了解一下吧！

近年來，一種稱為金屬-有機骨架（MOFs）的高吸水性納米多孔材料逐漸走入人們的視野，成為發電廠碳捕獲材料中的潛力股。如何更好的利用MOF材料成為了研究的焦點。

“對于發現這些材料人們是非常驚喜的，這意味著我們可以使材料多樣化，并有機會合理整合各種材料，”西北工程公司的Randall Q. Snurr說。“但是另一方面來看，如果我們需要用到材料的某一種功能，就會有非常多的MOF材料，以及更多具有相似功能的MOF材料作為潛在選擇擺在面前。那么我們要如何確定哪一種材料是最適合的呢？”

John G. Searle化學和生物工程學院教授Snurr的團隊已經發現了一種方法，能夠快速找出合適的碳捕獲材料，并且這種方法與以往的方法相比節省了99%的工作量。這種方法主要利用遺傳算法，能夠快速搜索55000個MOF材料數據庫。

“以前我們尋找一種材料，必須對所有的55000種材料全部評估一遍，”Snurr說道。“我們搜尋了55000種材料，并計算了他們所有的性能。這種遺傳算法可以讓你避免在選擇材料的時候做無用功。”

其中最熱門的一種MOF材料——NOTT-101的變體，是在所有科學文獻可查的MOF材料中對二氧化碳（CO₂）的吸收量最高的。這一信息對以后新建的清潔電廠的設計具有啟發作用。

“MOF材料對CO₂的吸附率取決于吸附過程，”Snurr說。“能源部的目標是清除電廠尾氣中90％的CO₂，而使用這種材料來吸附CO₂可以達到這一效果。”

在美國能源部的支持下，該研究成果發表在今天的Science Advances雜質上。Snurr實驗室的前博士后研究員Yongchul G. Chung和Diego A.Gómez-Gualdrón是本文的共同第一作者。西北大學化學教授J. Fraser Stoddart，Joseph Hupp和Omar Farha以及西北大學前化學和生物工程學教授Fengqi You都對此工作做出了貢獻。

憑借納米級孔隙和高比表面積，MOFs可以作為高性能的氣體儲存材料。超大的內表面積使得MOFs材料可以儲存大量氣體。一些MOF晶體的體積雖然可能僅有一粒鹽那么大，但如果將它的內表面全部展開，可以覆蓋整個足球場。

Snurr先前的工作探討了如何使用MOF材料在發電廠燃燒廢氣中捕獲碳。發電廠廢氣中約10％到15％是二氧化碳; 其余主要是氮氣和水蒸汽。Snurr和Hupp設計了一種MOF材料，它可以過濾多余的氣體，在廢氣進入大氣之前吸附CO₂。

Snurr最近意識到，這種方法在對燃料進行一些化學處理后將更加容易。在燃料進入發電廠之前對燃料進行化學處理，將其轉化為CO₂和氫氣。MOF吸附CO₂后，氫燃燒的唯一產物是水。這種額外的化學處理步驟將需要在新電廠中增加預燃燒過程。

“在一些地區比如中國，還在大量建設發電廠，”Snurr說，“這將使我們的工作有了用武之地。”

遺傳算法是模擬自然選擇的優化計算，它隨機選擇候選材料群，并通過突變，交叉和選擇優化結果。Snurr表示，這種技術已經應用于MOF材料篩選，而預燃燒過程相關材料的篩選卻是一個全新的挑戰。

為了解決預燃燒過程中的碳捕獲問題，遺傳算法精確定位NOTT-101為最佳材料方案(該材料以諾丁漢命名，是首次發現MOF材料的地方)。Hupp和Farha發現了NOTT-101變種材料，并在實驗室進行了測試。在可以用于預燃燒過程的所有MOF材料中，該材料表現出最佳的碳吸附性能，以及將CO₂從氫氣中分離出來的良好功能。

“最初，我并不確定這個算法是否有效，”Snurr說。“但是發現這種算法的計算量只是往常工作量的1％，從這一角度來看，遺傳算法對計算速度的顯著改善效果是非常令人興奮的。”

原文鏈接：Finding Ideal Materials for Carbon Capture

文獻鏈接：In silico discovery of metal-organic frameworks for precombustion CO₂ capture using a genetic algorithm

本文由編輯部楊樹提供素材，劉育辰編譯，牛蕾審核，點我加入材料人編輯部。