En los últimos años, una clase de materiales nanoporosos y altamente absorbentes llamados marcos organometálicos MOF han surgido como un material prometedor para la captura de carbono en las centrales eléctricas. Pero encontrar el MOF óptimo para hacer el mejor trabajo es otra historia.
"La gente está realmente entusiasmada con estos materiales porque podemos hacer una gran variedad y realmente ajustarlos", dijo Randall Q. Snurr de la Universidad de Northwestern. "Pero hay un lado negativo en eso. Si tiene una aplicación en mente, haymiles de MOF existentes y millones de MOF potenciales que podría hacer. ¿Cómo encuentra el mejor para una aplicación determinada? "
Snurr, quien es el profesor de Ingeniería Química y Biológica John G. Searle, y su grupo han descubierto una forma de identificar rápidamente a los principales candidatos para la captura de carbono, utilizando solo el 1 por ciento del esfuerzo computacional que se requería anteriormente.un algoritmo genético, buscaron rápidamente a través de una base de datos de 55,000 MOF.
"En el pasado, teníamos que evaluar a los 55,000 candidatos uno a la vez", dijo Snurr. "Simplemente los atravesamos y calculamos todas sus propiedades. Este algoritmo genético le permite evitar eso".
Uno de los principales candidatos identificados, una variante de NOTT-101, tiene una mayor capacidad de dióxido de carbono CO2 que cualquier MOF reportado en la literatura científica para las condiciones relevantes. Esta información podría conducir a diseños para una energía más limpia recién comisionadaplantas
"El porcentaje de dióxido de carbono que puede absorber el MOF depende del proceso", dijo Snurr. "El objetivo del Departamento de Energía es eliminar el 90 por ciento del dióxido de carbono de una planta de energía; es probable que un proceso que use este material puedacumplir con ese objetivo "
Apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., La investigación apareció en línea en la revista Avances científicos . Yongchul G. Chung y Diego A. Gómez-Gualdron, ex becarios posdoctorales en el laboratorio de Snurr, fueron los primeros coautores del artículo. Los profesores de química del noroeste J. Fraser Stoddart, Joseph Hupp y Omar Farha también contribuyeron al trabajocomo Fengqi You, ex profesor de ingeniería química y biológica en Northwestern.
Con sus poros nanoscópicos y áreas de superficie increíblemente altas, los MOF son excelentes materiales para el almacenamiento de gas. Las vastas áreas de superficie interna de los MOF les permiten contener volúmenes de gas notablemente altos. El volumen de algunos cristales de MOF puede ser del tamaño de un grano desal, por ejemplo, pero la superficie interna, si se despliega, podría cubrir un campo de fútbol completo.
El trabajo anterior de Snurr ha explorado cómo usar MOF para capturar carbono de las centrales eléctricas existentes durante el proceso de postcombustión. Alrededor del 10 al 15 por ciento del escape de la central eléctrica es CO2; el resto es principalmente nitrógeno y vapor de agua. Diseñado por Snurr y Huppun MOF que puede clasificar estos gases para capturar CO2 antes de que ingrese a la atmósfera.
Recientemente, Snurr recordó que el método es mucho más fácil después de un pequeño procesamiento químico. Procesar químicamente el combustible antes de que ingrese a la central eléctrica puede convertirlo en CO2 e hidrógeno. Después de que el MOF captura el CO2, el hidrógeno se quema y elsolo el subproducto es el agua. Este paso adicional de procesamiento químico debería incorporarse a las nuevas centrales eléctricas como un proceso de precombustión.
"En lugares como China, donde todavía están construyendo muchas plantas de energía", dijo Snurr, "esto tendría mucho sentido".
Una técnica de optimización que imita la selección natural, el algoritmo genético toma una población aleatoria de soluciones candidatas y las evoluciona hacia mejores soluciones a través de la mutación, el cruce y la selección. Snurr dijo que esta técnica se ha aplicado a la detección de materiales en el pasado pero no enuna búsqueda de los mejores candidatos para el proceso de precombustión, que él describe como un "nuevo desafío"
Para abordar la captura de carbono en la precombustión, el algoritmo genético identificó a NOTT-101 como un candidato principal. El material lleva el nombre de Nottingham, el lugar donde se descubrió el MOF por primera vez. Hupp y Farha crearon la variante NOTT-101y lo probó en el laboratorio. De todos los MOF que han sido evaluados para precombustión, este material tenía la mayor capacidad para capturar carbono y una buena selectividad para capturar CO2 para separarlo del hidrógeno.
"Inicialmente, no estaba seguro de qué tan bien funcionaría este algoritmo", dijo Snurr. "Pero usar solo el 1 por ciento del esfuerzo computacional habitual es una mejora significativa en la velocidad. Es muy emocionante".
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Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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