Новый метод, созданный инженерами Лаборатории моделирования многомасштабных материалов Райса, точно рассчитал способность двух цеолитов, небольших клетчатых молекул с огромной площадью поверхности, улавливать и накапливать молекулы газа.
Помимо других возможностей, эта работа может помочь в гонке за соблюдение стандартов Министерства энергетики (DOE), которые предусматривают создание к 2015 году материалов, способных удерживать 5 единиц.5 процентов их веса в водороде для топлива транспортных средств.
«Мы думаем, что сможем это сделать», – сказал Райс-материаловед Рузбех Шахсавари, который рассчитал вместимость двух из того, что он назвал «чрезвычайно большими и колоссальными клетками», и обнаружил, что одна близка к цели.
Исследование Шахсавари, аспиранта Навида Сахаванда и бывшего научного сотрудника Райс Пракаша Мутурамалингама, ныне докторанта Университета Париж-Эст, опубликовано в Журнале физической химии Американского химического общества.
Лаборатория проанализировала потрясающий набор потенциальных взаимодействий для двух синтетических микропористых материалов, известных как цеолитные имидазолатные каркасы, ZIF-95 и ZIF-100.
Эти «колоссальные клетки» могут быть всего лишь нанометрами в ширину, но молекулы, которые они могут хранить, которые исследовала лаборатория, – водород, метан и азот – намного меньше. Огромная площадь поверхности цеолитов внутри и снаружи дает молекулам газа достаточно места для связывания.
Помимо хранения водорода для топлива, ZIF обладают потенциалом для избирательного катализа, восстановления окружающей среды и использования в качестве молекулярных сит. «Представьте, что люди проектируют ЗИФы, подходящие для конкретных целей», – сказал Сахаванд. «Прежде чем приступить к эксперименту и синтезировать их, мы можем помочь им быстро проверить поглощение газа для каждого конкретного ZIF при различных температурах и давлениях."
Основная цель исследователей заключалась в том, чтобы доказать точность своего метода по сравнению с множеством экспериментальных результатов по хранению водорода, проведенных в другом месте. Шахсавари сказал, что исследователи смоделировали взаимодействия между молекулами трех газов друг с другом и со связывающими лигандами в цеолитах при температуре 77 и 300 кельвинов (-321 и 80 градусов по Фаренгейту соответственно) и при различных давлениях.
Что касается водорода, они определили, что оба цеолита хранят примерно в три раза больше газа при 77 К и давлении 100 бар (в 100 раз больше, чем атмосфера на уровне моря), чем при комнатной температуре. ЗИФ-100, в частности, адсорбированный 3.4 процента его веса в водороде, что приближается к стандарту Министерства энергетики США, сказал Шахсавари.
«Мы не достигли этой цели DOE с этой конструкцией, но если мы сможем функционализировать ZIF, добавив лиганд-связывающие фрагменты (функциональные группы в молекуле) в поровое пространство, то мы сможем. Мы работаем над этим ", – сказал он.
Они также смогли рассчитать как незначительные, так и значительные различия между адсорбционными качествами на основе различных входных параметров газа, давления, температуры и типа цеолита. Например, они пришли к парадоксальному выводу, что ZIF-100, более крупный из двух цеолитов, может адсорбировать больше низкомолекулярного водорода, но меньше более крупных молекул метана, чем ZIF-95 в аналогичных условиях.
«Таким образом, наш метод не только точно предсказывает свойства этих пористых материалов, но также дает фундаментальные данные, которые можно использовать для дальнейшего улучшения их свойств», – сказал Шахсавари.
Метод лаборатории Райса состоял из нескольких этапов. Во-первых, команда выполнила расчеты из первых принципов, чтобы описать очень слабые атомные взаимодействия – лондонские дисперсионные силы, связанные с Ван-дер-Ваальсом, – между каждым из трех типов молекул газа и двумя ZIF. На следующем этапе эти результаты использовались для выравнивания потенциалов между различными атомными парами.
Они были включены в крупномасштабное моделирование методом Монте-Карло, чтобы предсказать, сколько каждого газа каждый пористый цеолит может адсорбировать.
«Поскольку мы объединили два метода, каждый из которых подходит для разного масштаба длины, мы смогли предсказать максимальную вместимость этих материалов с высокой точностью, сохраняя при этом разумное время вычислений», – сказал Шахсавари.
Метод может показаться простым, но вычислить интегрирующие силы между тысячами молекул газа и каждым ZIF не удалось.
Потребовалось объединение мощности суперкомпьютеров Rice DAVinCI и SUGAR, чтобы найти результаты для всех вариантов. Даже в этом случае расчеты для одной точки данных – одной молекулы, одного цеолита, одной температуры – часто занимали 96 процессорных ядер за три дня.
Шахсавари сказал, что этот метод также должен быть хорош для анализа потенциала цеолитов в качестве мембран для разделения газов. «Он может работать не только с отдельными молекулами, но и с газовыми смесями», – сказал он. "Это обеспечивает хорошую вычислительную основу, поэтому можно быстро отобрать нужные свойства."