【Materials Studio应用案例】寻求可持续性：利用沸石模拟CO2吸附以寻求环保的碳捕获解决方案

[ 解决方案 ] 东方科软 2024-01-31 11:05

1 挑战

大气中CO₂浓度的上升，主要是由人类活动引起的，是全球变暖的重要驱动因素。CO₂通过吸收红外辐射来放大温室效应，从而导致不利的气候变化，这可能会增加自然灾害（如野火、热浪、干旱和风暴潮）的概率和严重程度。因此，科学家们正在探索直接从大气中捕获CO₂的方法。

2 沸石作为碳捕获解决方案

有各种CO₂捕获技术可供选择：化学吸收、物理吸附、膜分离和低温分离。在这些选项中，吸附技术由于其高CO₂吸收率、低能耗和无毒性而脱颖而出。固体吸附剂如活性炭、沸石、金属有机框架（MOFs）、有机无机混合/复合吸附剂、多孔聚合物、碳纳米管和碳化硅正在被用于CO₂捕获。沸石对于CO₂捕获特别有用，因为它们属于一类能够选择性吸附CO₂的多功能材料。由于它们的价格适中、可获得性、大表面积、多孔质地、快速动力学和优秀的化学和热稳定性，沸石被广泛使用。

“沸石”一词源自希腊词“zeô”，意为沸腾，和“lithos”，意为岩石（沸腾的岩石）。实际上，沸石是由硅和/或铝以及氧原子组成的框架的铝硅酸盐。这些氧原子带有负电荷，这种负电荷由非框架阳离子（如钠或钙）来平衡。沸石可以在其孔隙中捕获水或其他分子。

由于有超过 200 种类型的沸石可供选择，包括天然和合成品种，因此这个项目的目标是确定最佳的吸附沸石。理想的候选者将展示最高的吸附容量，同时选择性地吸附CO₂。虽然对每种沸石进行实验可能非常耗时，但分子模拟不仅提供了更有效、更经济的方法，而且也是更安全的方法。

【Materials Studio应用案例】寻求可持续性：利用沸石模拟CO2吸附以寻求环保的碳捕获解决方案

3 利用MS进行沸石优化

在这个项目中，我们利用了BIOVIA Materials Studio 2023中的Sorption模块。这个模块使得模拟纯吸附物（在这种情况下，是CO₂分子）被吸附到吸附剂框架（正在测试的沸石）成为可能。这个框架包括一个三维周期结构，其孔隙的大小和形状适合容纳吸附物分子。吸附模块提供了各种函数，用于在不同条件下（如固定压力或固定负载）模拟吸附过程，计算系统的特定属性（例如，吸附等温线），并确定框架内吸附物分子的优选位点。

图1 使用 BIOVIA Discovery Studio 2022 为 6 种沸石：AFY、MON、RHO、AFY、TSC、MTT 生成的溶剂可接触表面积。晶体对称性被用来显示几个单元的图像。不同类型的沸石的孔径大小不同

我们最初为六种沸石计算了吸附等温线。这涉及在 298 K 的恒温下进行一系列固定压力模拟。每个固定压力模拟在 1 kPa 和 1000 kPa 之间设置的压力范围内执行指定数量的步骤。我们使用了 Okello 等人最近的一篇论文中描述的相同参数。

在整个模拟过程中，框架内的CO₂分子会进行随机旋转和平移。此外，CO₂分子会被随机地引入到框架中或从框架中移除。这些步骤的每一个都会产生一个配置，这个配置是根据模拟中使用的蒙特卡罗方法的选择规则被接受或拒绝的。

在图2a-f中，我们检查了晶格框架内的有利结合位点。在这个可视化中，我们描绘了六种不同的沸石（见图1），其中的点象征着CO₂吸附位点，根据CO₂的密度分布进行颜色编码。我们选择代表具有多样化装载的沸石。每个模拟沸石的每个单元的装载和百分比重量都被提供出来。

图2 用 BIOVIA Materials Studio 2023 生成的几种沸石（LTA、JBW、AFY、RHO、TSC、NON、MTT）及其吸附位点

表1. 图2中每种沸石的特性，以及吸附CO2的重量（WT）百分比

通过分析图2，我们可以区分出具有优越吸附能力的沸石。然而，另一个必须考虑的关键因素是沸石的密度，因此，每个单元的质量。这就是为什么我们根据重量百分比来确定沸石的效率，使用以下公式计算：

其中 L 代表装载，代表CO₂的摩尔质量，代表沸石单元的摩尔质量。

因此，LTA 是最有效的吸附沸石，其重量百分比为 68.7%。另一方面，最不具有前景的沸石之一是 MTT，其重量百分比只有 3.3%。

我们还检查了 LTA 中CO₂吸附的最低能量配置，可以在下面的模拟视频中看到，LTA 的孔径大小对于CO₂吸附来说是最佳的。

使用 BIOVIA Materials Studio 的吸附模块在 100kPa 和 298K 下进行的固定压力模拟

图3 CO₂在几个温度下的等温线图

4 温度的影响

温度对沸石在CO₂吸附中的性能的影响

图3清楚地说明，随着温度的升高，吸附容量减小。Xiong 等人的论文指出了两个可能解释这种现象的潜在原因。首先，吸附是一个放热过程，所以温度的升高会使反应向解吸方向转移。此外，随着温度的升高，与吸附物的旋转和迁移相关的能量增加，导致吸附物和沸石之间的相互作用减弱。

5 结论

处理大气中CO₂的过剩不仅仅是环境问题。它在工业和农业中的应用，如增强温室植物的生长，具有极大的重要性。沸石优化的分子模拟起着关键的作用。通过改进沸石的性质，我们促进了CO₂的快速吸附和高效解吸。揭示沸石和CO₂之间的相互作用是创新的催化剂，基于沸石的解决方案为利用CO₂的潜力，推动全球工业进步和环境和谐铺平了道路。

END

Materials Studio软件介绍

BIOVIA Materials Studio是一个多尺度、多功能的材料模拟计算平台。在近20多年的发展历程中，Materials Studio获得了来自全球多个科研机构的技术支持，历经28个版本的更新和升级，现已融合多种时间、空间尺度的模拟方法，形成了一个包含16个工具包、25个功能模块，可实现从微观电子结构解析到宏观性能预测的跨尺度科学研究平台。

目前，Materials Studio 软件是分子模拟领域中相对精确、稳定、高效的产品，广泛应用在化学化工、环境、制药、能源、电子、食品、航空航天和汽车等工业领域和教育科研部门有着非常广泛的应用。

公司介绍

东方科软成立于2016年10月，总部设在北京，主要服务材料科学与生命科学两大领域的用户，为其提供模拟仿真软件、技术咨询、技术培训及技术支持服务。

公司打造行业领域产品生态圈，不断引进国内外各种先进产品与技术，为材料和药物的设计与创新提供综合解决方案。团队专业背景覆盖材料科学、物理、化学化工、石油石化、生物医药等重要领域，能为用户提供专业、高效、快捷、精准的技术支持与服务。

目前，我们已服务上百家相关学术及企业用户，为他们的产品研发和创新提供了强有力的科学信息软件技术服务与产品支持！

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