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彗星超级计算机用来说明甲烷存储应用

新的发现可能会导致车辆使用碳中性化学燃料

图中描绘了亚甲基菲(MPh),多孔碳表面的分子模型,如ZTC。中心原子(X1 = C, B,或N)是杂原子取代和甲烷结合的位置。这是蒙大拿州立大学尼克·斯塔迪教授的研究结果

多孔碳是一种具有广泛应用潜力的成熟材料,从水净化和气体分离到储能设备和保温。一年级的研究生也充满了潜力,特别是如果他们已经成为一个国际研究小组的成员,他们的工作可能会影响汽车用低碳或无碳化学燃料所需的技术。

Rylan Rowsey,一年级研究生在化学加州大学圣地亚哥分校,出席了蒙大拿州立大学,波兹曼(MSU)作为本科生,与研究人员谁使用的一个国际研究小组的工作彗星在圣地亚哥超级计算机中心(SDSC),位于加州大学圣地亚哥分校,以完成特定的子组多孔碳称为沸石模板碳(ZTC)作为气体存储材料的详细研究。

“在计算化学的技能和工具,我学会了接受这项工作是非常宝贵的我的成长作为一个研究者,而现在我开始读研究生,我觉得我在用独特的技能准备我来了,” Rowsey说。

Rowsey所提到的工作是研究小组使用ZTC结构单元的计算建模(称为Maquettes - 兴趣的表面部位小型模型),以评估甲烷气体结合能量作为化学成分的函数。MSU和Robert Szilagyi的物理化学和材料科学助理教授尼古拉斯Stadie领导,MSU助理化学和生物化学教授,该团队的研究成果最近发表于此物理化学学报

“通过一套全面的计算,我们清楚地确定了甲烷对氮取代吸附位点的偏好,”Szilagyi说。“理论上估计结合能和实验测量热吸附值有很好的一致性,验证计算化学的使用作为一种工具来设计新型多孔碳材料对甲烷存储应用程序——一个关键的桥接技术,降低碳或无碳的化学燃料的车辆。”

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这个动画演示了到达的甲烷分子(吸附剂)和碳表面模型(吸附剂)如何相互修改对方的电子密度。这里,甲烷分子“着陆器”在碳“月球表面”着陆,在这个过程中“扬起了灰尘”(即电子密度,用粉色和绿色表示)。作者:Robert K. Szilagyi,蒙大拿州立大学

为什么它很重要

新材料的计算机辅助合理化设计为开发新的或优化现有的能源储存和转换技术提供了一种有效的途径。与传统的试错方法不同,化学过程的计算机建模减少了产品上市的时间,最大限度地减少化学浪费,最大限度地利用人力资源和脑力。

具体来说,在不排放温室气体的情况下,将甲烷储存并转化为能源或化学原料,是石化行业早就应该实现的目标。基于计算机建模的材料设计允许在原子尺度上模拟甲烷存储或转换的每一步,这为潜在的抑制步骤提供了清晰的理解,并提供了如何减少有害排放和有毒化学废物的见解。

碳材料的展示氮兴奋剂

虽然在计算工作中使用的实验结果是在Stadie的实验室中获得的,Stadie和Szilagyi接下来证明,实验人员可以使用模拟结果来指导他们合成氮掺杂碳材料用于甲烷存储和输送的策略。计算结果清楚地证明了在甲烷存储方面,专注于碳材料的氮掺杂的好处。此外,Szilagyi说,这项工作为多孔碳表面的简化但现实模型的化学准确性提供了一张地图,以解决许多其他问题。

“我们真的被明确和一贯的偏好惊讶的向氮气置换的多孔碳模型甲烷,在未取代和硼取代的车型都”Szilágyi的说。

“这似乎并不像一个大的效果很多,但这只是影响我们的预期,大小补充说:” Stadie。“这个效果有在室温下甲烷存储非常重要的意义。”

如何超级计算机的帮助下

当团队访问了一个适度的实验室工作站集群和密歇根州立大学的Hyalite高性能计算系统,访问彗星允许快速完成特别密集的计算实验,否则会非常具有挑战性。该团队能够运行势能表面映射计算,其中每个网格点在适当的理论水平上计算,没有截断和简化。

“额外的计算资源使我们能够完成更深入的研究,包括计算控制和空白的模拟,这是强制性的试点工作,但往往在理论研究中省略,”Szilágyi的说。

“该实验主义的方法来计算化学有很大的潜力,提升理论模型直接与来自我们的实验室观察工作,” Stadie继续。“理论和实验的成功组合提升计算的合理化实验和实验产生可检验的假设的影响。”

下一步是什么?

在头两年这项工作的发展的方法,具有在Stadie实验室正在进行的实验研究方向有直接的影响,从筛选合成的条件,向下选择气体吸附的研究和预测超出了天然气储存新技术应用协助。该研究小组已经开始评估其他分子置换,探索更大的分子模型与含氧官能团,考虑其他的吸附和缩放计算方法到更大,定期系统,仅举几例。

除了Rowsey和密歇根州立大学的研究生Erin Taylor, Stadie和Szilagyi还与计算软材料科学家合作斯蒂芬IRLE橡树岭国家实验室。其他的合作者包括教授。Hirotomo Nishihara来自日本东北大学和学者Tamas萨博(匈牙利),伊娃Scholtzova(斯洛伐克),甘露耆那教(波兰),莫妮卡的Michalska(捷克共和国)。

“考虑到我要去加州大学圣地亚哥分校,我可能甚至能够工作,一些时间广阔在我的新的研究(在SDSC,新超级计算机),” Rowsey说。

这项研究是由能源效率的能源办公室与可再生能源(EERE)美国能源部氢能和燃料电池技术和汽车技术办公室(批准号:DE-EE0008815)下的支持。为理论成果的分析支持由化石能源能源和碳管理计划,先进的煤炭加工项目,项目C4WARD的美国能源部提供的。额外支持由美国化学协会石油研究基金和密歇根州立大学本科生奖学金项目提供。计算上彗星通过XSEDE,这是由美国国家科学基金会的支持得到了支持(批准号:ACI-1548562)。附加的计算是在蒙大拿州立大学进行了使用Hyalite HPC系统,操作和支持大学信息技术研究网络基础设施。


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