Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, deram um passo significativo no sentido de compreender um processo viável para a captura direta de ar, ou DAC, de dióxido de carbono da atmosfera. Este processo DAC está em desenvolvimento inicial com o objectivo de alcançar emissões negativas, onde a quantidade de dióxido de carbono removido do envelope de gases que rodeia a Terra excede a quantidade emitida.



A pesquisa, publicada recentemente na Cell Reports Physical Science , focado nas etapas fundamentais do sequestro de dióxido de carbono usando glicina aquosa, um aminoácido conhecido por suas qualidades absorventes. Ao combinar uma série de métodos computacionais avançados, os cientistas investigaram fenómenos dinâmicos menos explorados em soluções líquidas relacionados com a taxa a que o dióxido de carbono pode ser capturado.

“As reações químicas na água são complicadas, especialmente quando o movimento das moléculas de água desempenha um papel importante”, disse Santanu Roy, que projetou a investigação computacional com o colega Vyacheslav Bryantsev. "As moléculas de água e os produtos químicos envolvem-se em algo semelhante a uma dança acoplada que pode retardar marginal ou significativamente a reação. Compreender essas interações dinâmicas, conhecidas como efeitos de solvente fora do equilíbrio, é essencial para obter uma imagem completa de como as reações funcionam e com que rapidez elas acontecem. "

Os pesquisadores descobriram que, ao examinar a taxa de absorção do dióxido de carbono, focar apenas na barreira de energia livre – o limite de energia que deve ser superado para que um sistema faça a transição de um estado para outro – é uma simplificação excessiva que não fornece a visão completa. foto. Esta abordagem incompleta pode levar a uma compreensão imprecisa da cinética da reação, os fatores que influenciam a velocidade com que ocorre uma reação.

"Empregamos uma abordagem mais completa que considera a influência da água no movimento ao longo do caminho da reação, e o resultado foi intrigante", disse Bryantsev. "A etapa inicial, onde a glicina interage com o dióxido de carbono, é quase 800 vezes mais lenta em comparação com a etapa seguinte, onde um próton é liberado para formar uma mistura de estado de produto para reter o dióxido de carbono absorvido.

"Surpreendentemente, a barreira de energia livre permanece constante em ambas as etapas e, portanto, esta perspectiva diferente realmente diferencia a velocidade dessas duas etapas críticas e oferece um caminho para aumentar a eficiência da absorção e separação do dióxido de carbono."

As extensas simulações de dinâmica molecular ab initio utilizadas neste estudo ainda eram limitadas por suas curtas escalas de tempo e comprimento e altos custos computacionais na representação das reações químicas.

"Para projetos futuros, pretendemos combinar a abordagem emergente de aprendizado de máquina com simulações altamente precisas e desenvolver potenciais de interação interatômica baseados em redes neurais profundas. Isso nos permitirá realizar simulações moleculares com alta precisão em grandes escalas com custos computacionais significativamente reduzidos, " disse Xinyou Ma, que realizou as simulações.

Roy acrescentou:"Embora tenhamos retratado uma imagem cinética em nível molecular da captura de dióxido de carbono por aminoácidos aquosos, o acesso a grandes escalas de comprimento e tempo através do uso da abordagem de aprendizado de máquina nos ajudará a compreender os efeitos de fatores macroscópicos, como temperatura , pressão e viscosidade no DAC e como esses efeitos estão relacionados ao quadro molecular alcançado."

No geral, as descobertas do estudo lançam luz sobre o intrincado funcionamento do DAC e enfatizam o papel vital da cinética, da termodinâmica e das interações moleculares na remoção de dióxido de carbono da atmosfera por aminoácidos aquosos. À medida que estes mecanismos se tornam compreendidos com mais precisão, a perspectiva de implantação de uma tecnologia DAC em larga escala tornar-se-á mais viável. Em todo o mundo, vários projetos DAC diferentes estão em vários estágios de pesquisa, testes e desenvolvimento.

Mais informações: Xinyou Ma et al, Um estudo ab initio de energia livre do mecanismo de reação e etapas limitantes da taxa de captura de CO2 por glicina aquosa, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101642
Informações do diário: Células relatam ciência física

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge