Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han dado un paso significativo hacia la comprensión de un proceso viable para la captura directa en el aire, o DAC, de dióxido de carbono de la atmósfera. Este proceso DAC se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo con el objetivo de lograr emisiones negativas, donde la cantidad de dióxido de carbono eliminada de la envoltura de gases que rodea la Tierra excede la cantidad emitida.
La investigación, publicada recientemente en Cell Reports Physical Science , se centró en los pasos fundamentales del secuestro de dióxido de carbono utilizando glicina acuosa, un aminoácido conocido por sus cualidades absorbentes. Combinando una serie de métodos computacionales avanzados, los científicos probaron fenómenos dinámicos menos explorados en soluciones líquidas relacionados con la velocidad a la que se puede capturar el dióxido de carbono.
"Las reacciones químicas en el agua son complicadas, especialmente cuando el movimiento de las moléculas de agua juega un papel importante", dijo Santanu Roy, quien diseñó la investigación computacional con su colega Vyacheslav Bryantsev. "Las moléculas de agua y los productos químicos participan en algo similar a una danza acoplada que puede ralentizar marginal o significativamente la reacción. Comprender estas interacciones dinámicas, conocidas como efectos de disolventes de desequilibrio, es esencial para obtener una imagen completa de cómo funcionan las reacciones y qué tan rápido ocurren. "
Los investigadores descubrieron que al examinar la velocidad a la que se absorbe el dióxido de carbono, centrarse únicamente en la barrera de energía libre (el umbral de energía que debe superarse para que un sistema pase de un estado a otro) es una simplificación excesiva que no proporciona la información completa. imagen. Este enfoque incompleto puede conducir a una comprensión inexacta de la cinética de reacción, los factores que influyen en la velocidad a la que se produce una reacción.
"Empleamos un enfoque más completo que considera la influencia del agua en el movimiento a lo largo del camino de reacción, y el resultado fue intrigante", dijo Bryantsev. "El paso inicial, en el que la glicina interactúa con el dióxido de carbono, es casi 800 veces más lento en comparación con el siguiente paso, en el que se libera un protón para formar finalmente una mezcla de estado de producto para retener el dióxido de carbono absorbido.
"Sorprendentemente, la barrera de la energía libre permanece constante en ambos pasos, por lo que esta perspectiva diferente realmente distingue la velocidad de estas dos etapas críticas y ofrece un camino para aumentar la eficiencia de la absorción y separación del dióxido de carbono".
Las extensas simulaciones de dinámica molecular ab initio utilizadas en este estudio todavía estaban limitadas por sus breves escalas de tiempo y longitud y los altos costos computacionales para representar las reacciones químicas.
"Para futuros proyectos, pretendemos combinar el enfoque emergente de aprendizaje automático con simulaciones de alta precisión y desarrollar potenciales de interacción interatómica basados en redes neuronales profundas. Esto nos permitirá realizar simulaciones moleculares con alta precisión a gran escala con costos computacionales significativamente reducidos. " dijo Xinyou Ma, quien llevó a cabo las simulaciones.
Roy añadió:"Si bien hemos retratado una imagen cinética a nivel molecular de la captura de dióxido de carbono por aminoácidos acuosos, acceder a grandes escalas de longitud y tiempo mediante el uso del enfoque de aprendizaje automático nos ayudará a comprender los efectos de factores macroscópicos como la temperatura. , presión y viscosidad en DAC y cómo estos efectos se relacionan con la imagen molecular obtenida."
En general, los hallazgos del estudio arrojan luz sobre el intrincado funcionamiento del DAC y enfatizan el papel vital de la cinética, la termodinámica y las interacciones moleculares en la eliminación del dióxido de carbono de la atmósfera mediante aminoácidos acuosos. A medida que estos mecanismos se comprendan con mayor precisión, la perspectiva de implementar una tecnología DAC a gran escala será más factible. En todo el mundo, varios proyectos DAC diferentes se encuentran en distintas etapas de investigación, prueba y desarrollo.
Más información: Xinyou Ma et al, Un estudio ab initio de energía libre del mecanismo de reacción y los pasos limitantes de la velocidad de captura de CO2 mediante glicina acuosa, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101642
Información de la revista: Informes celulares de ciencias físicas
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
