Gli scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno fatto un passo avanti significativo verso la comprensione di un processo praticabile per la cattura diretta dell’aria, o DAC, del biossido di carbonio dall’atmosfera. Questo processo DAC è in fase di sviluppo iniziale con l'obiettivo di ottenere emissioni negative, dove la quantità di anidride carbonica rimossa dall'involucro dei gas che circondano la Terra supera la quantità emessa.

La ricerca, recentemente pubblicata su Cell Reports Physical Science , incentrato sulle fasi fondamentali del sequestro dell'anidride carbonica utilizzando la glicina acquosa, un amminoacido noto per le sue qualità assorbenti. Combinando una serie di metodi computazionali avanzati, gli scienziati hanno studiato fenomeni dinamici meno esplorati in soluzioni liquide legate alla velocità con cui l'anidride carbonica può essere catturata.

"Le reazioni chimiche nell'acqua sono complicate, soprattutto quando il movimento delle molecole d'acqua gioca un ruolo importante", ha affermato Santanu Roy, che ha progettato l'indagine computazionale con il collega Vyacheslav Bryantsev. "Le molecole d'acqua e le sostanze chimiche si impegnano in qualcosa di simile a una danza accoppiata che può rallentare marginalmente o significativamente la reazione. Comprendere queste interazioni dinamiche, note come effetti solventi di non equilibrio, è essenziale per ottenere un quadro completo di come funzionano le reazioni e della velocità con cui si verificano. "

I ricercatori hanno scoperto che, esaminando la velocità con cui il biossido di carbonio viene assorbito, concentrarsi esclusivamente sulla barriera di energia libera – la soglia di energia che deve essere superata affinché un sistema possa passare da uno stato a un altro – è una semplificazione eccessiva che non fornisce l’intera situazione. immagine. Questo approccio incompleto può portare a una comprensione imprecisa della cinetica di reazione, i fattori che influenzano la velocità con cui avviene una reazione.

"Abbiamo utilizzato un approccio più completo che considera l'influenza dell'acqua sul movimento lungo il percorso di reazione, e il risultato è stato intrigante", ha detto Bryantsev. "La fase iniziale, in cui la glicina interagisce con l'anidride carbonica, è quasi 800 volte più lenta rispetto alla fase successiva, in cui un protone viene rilasciato per formare infine una miscela di stato prodotto per trattenere l'anidride carbonica assorbita.

"Sorprendentemente, la barriera di energia libera rimane costante per entrambe le fasi, quindi questa diversa prospettiva distingue davvero la velocità di queste due fasi critiche e offre un percorso per aumentare l'efficienza dell'assorbimento e della separazione dell'anidride carbonica."

Le estese simulazioni di dinamica molecolare ab initio utilizzate in questo studio erano ancora limitate dalle loro brevi scale di tempo e lunghezza e dagli elevati costi computazionali nella rappresentazione delle reazioni chimiche.

"Per i progetti futuri, intendiamo combinare l'approccio emergente dell'apprendimento automatico con simulazioni altamente accurate e sviluppare potenziali di interazione interatomica basati su reti neurali profonde. Ciò ci consentirà di eseguire simulazioni molecolari con elevata precisione su larga scala con costi computazionali significativamente ridotti, " ha detto Xinyou Ma, che ha effettuato le simulazioni.

Roy ha aggiunto:"Anche se abbiamo rappresentato un quadro cinetico a livello molecolare della cattura dell'anidride carbonica da parte degli amminoacidi acquosi, l'accesso a scale temporali e di grandi dimensioni attraverso l'uso dell'approccio di apprendimento automatico ci aiuterà a comprendere gli effetti di fattori macroscopici come la temperatura , pressione e viscosità sul DAC e come questi effetti sono correlati al quadro molecolare ottenuto."

Nel complesso, i risultati dello studio fanno luce sul complesso funzionamento del DAC e sottolineano il ruolo vitale della cinetica, della termodinamica e delle interazioni molecolari nella rimozione dell'anidride carbonica dall'atmosfera mediante amminoacidi acquosi. Man mano che questi meccanismi verranno compresi in modo più accurato, la prospettiva di implementare una tecnologia DAC su larga scala diventerà più fattibile. In tutto il mondo, diversi progetti DAC si trovano in varie fasi di ricerca, test e sviluppo.

Ulteriori informazioni: Xinyou Ma et al, Uno studio ab initio sull'energia libera del meccanismo di reazione e delle fasi limitanti della cattura di CO2 mediante glicina acquosa, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101642

Informazioni sul giornale: Cell Reports Scienze fisiche

Fornito da Oak Ridge National Laboratory