发现捕碳材料的新雷达——遗传算法

材料牛注： 温室效应愈演愈烈，为缓解气候变暖，各个领域的研究人员各施所长。一种材料计算方法的发现帮助我们发现更高效的碳吸附材料，解决气候问题的曙光出现了。让我们一起来了解一下吧！

近年来，一种称为金属-有机骨架（MOFs）的高吸水性纳米多孔材料逐渐走入人们的视野，成为发电厂碳捕获材料中的潜力股。如何更好的利用MOF材料成为了研究的焦点。

“对于发现这些材料人们是非常惊喜的，这意味着我们可以使材料多样化，并有机会合理整合各种材料，”西北工程公司的Randall Q. Snurr说。“但是另一方面来看，如果我们需要用到材料的某一种功能，就会有非常多的MOF材料，以及更多具有相似功能的MOF材料作为潜在选择摆在面前。那么我们要如何确定哪一种材料是最适合的呢？”

John G. Searle化学和生物工程学院教授Snurr的团队已经发现了一种方法，能够快速找出合适的碳捕获材料，并且这种方法与以往的方法相比节省了99%的工作量。这种方法主要利用遗传算法，能够快速搜索55000个MOF材料数据库。

“以前我们寻找一种材料，必须对所有的55000种材料全部评估一遍，”Snurr说道。“我们搜寻了55000种材料，并计算了他们所有的性能。这种遗传算法可以让你避免在选择材料的时候做无用功。”

其中最热门的一种MOF材料——NOTT-101的变体，是在所有科学文献可查的MOF材料中对二氧化碳（CO₂）的吸收量最高的。这一信息对以后新建的清洁电厂的设计具有启发作用。

“MOF材料对CO₂的吸附率取决于吸附过程，”Snurr说。“能源部的目标是清除电厂尾气中90％的CO₂，而使用这种材料来吸附CO₂可以达到这一效果。”

在美国能源部的支持下，该研究成果发表在今天的Science Advances杂质上。Snurr实验室的前博士后研究员Yongchul G. Chung和Diego A.Gómez-Gualdrón是本文的共同第一作者。西北大学化学教授J. Fraser Stoddart，Joseph Hupp和Omar Farha以及西北大学前化学和生物工程学教授Fengqi You都对此工作做出了贡献。

凭借纳米级孔隙和高比表面积，MOFs可以作为高性能的气体储存材料。超大的内表面积使得MOFs材料可以储存大量气体。一些MOF晶体的体积虽然可能仅有一粒盐那么大，但如果将它的内表面全部展开，可以覆盖整个足球场。

Snurr先前的工作探讨了如何使用MOF材料在发电厂燃烧废气中捕获碳。发电厂废气中约10％到15％是二氧化碳; 其余主要是氮气和水蒸汽。Snurr和Hupp设计了一种MOF材料，它可以过滤多余的气体，在废气进入大气之前吸附CO₂。

Snurr最近意识到，这种方法在对燃料进行一些化学处理后将更加容易。在燃料进入发电厂之前对燃料进行化学处理，将其转化为CO₂和氢气。MOF吸附CO₂后，氢燃烧的唯一产物是水。这种额外的化学处理步骤将需要在新电厂中增加预燃烧过程。

“在一些地区比如中国，还在大量建设发电厂，”Snurr说，“这将使我们的工作有了用武之地。”

遗传算法是模拟自然选择的优化计算，它随机选择候选材料群，并通过突变，交叉和选择优化结果。Snurr表示，这种技术已经应用于MOF材料筛选，而预燃烧过程相关材料的筛选却是一个全新的挑战。

为了解决预燃烧过程中的碳捕获问题，遗传算法精确定位NOTT-101为最佳材料方案(该材料以诺丁汉命名，是首次发现MOF材料的地方)。Hupp和Farha发现了NOTT-101变种材料，并在实验室进行了测试。在可以用于预燃烧过程的所有MOF材料中，该材料表现出最佳的碳吸附性能，以及将CO₂从氢气中分离出来的良好功能。

“最初，我并不确定这个算法是否有效，”Snurr说。“但是发现这种算法的计算量只是往常工作量的1％，从这一角度来看，遗传算法对计算速度的显著改善效果是非常令人兴奋的。”

原文链接：Finding Ideal Materials for Carbon Capture

文献链接：In silico discovery of metal-organic frameworks for precombustion CO₂ capture using a genetic algorithm

本文由编辑部杨树提供素材，刘育辰编译，牛蕾审核，点我加入材料人编辑部。