Дослідники HKUST виявили, як CO2 реагує в надкритичній воді, визначивши іони пірокарбонату як ключові проміжні продукти. Їх робота підкреслює роль наноконфайнменту в хімічних процесах і пропонує нові напрямки для технологій поглинання вуглецю. Дослідницька група під керівництвом доцента Дін Пана з факультетів фізики та хімії Гонконзького університету науки і технологій (HKUST) у співпраці з професором Юань Яо з факультету математики виявила ключові ідеї щодо механізмів реакції вуглекислий газ (CO2) у надкритичній воді.
Ці висновки є життєво важливими для покращення нашого розуміння процесів мінералізації та секвестрації CO 2 як у природних, так і в інженерних системах, а також глибокого циклу вуглецю в надрах Землі. Це дослідження створює основу для розробки інноваційних технологій поглинання вуглецю в майбутньому. Дослідження було опубліковано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Розчинення CO2 у воді та його подальші реакції гідролізу є ключовими процесами для ефективного захоплення вуглецю та зберігання мінералізації, відіграючи значну роль у поглинанні вуглецю для пом’якшення глобального потепління. Команда професора Пана розробила та застосувала першоосновні моделі Маркова, щоб виявити механізми реакції CO2 із надкритичною водою як в об’ємному, так і в нанообмеженому середовищі.
Дивовижна роль наноконфайнменту в реакціях CO2
Вони виявили, що пірокарбонат (C2O52-) є стабільним і важливим проміжним продуктом реакції в нанообмежених середовищах, на що раніше не звертали уваги, оскільки пірокарбонат дуже нестабільний і швидко розкладається у водних розчинах. Несподівана поява пірокарбонату пов’язана з суперіонною поведінкою закритих розчинів.
Крім того, вони виявили, що реакції карбонізації включають колективний перенос протонів уздовж тимчасових водних ланцюгів, який демонструє узгоджену поведінку в об’ємних розчинах, але відбувається поетапно в умовах наноконфайнменту. Це дослідження демонструє великий потенціал першопринципних моделей Маркова для з’ясування кінетики складних реакцій у водних розчинах.
Інноваційний обчислювальний підхід до реакційних шляхів
«Наш інноваційний підхід дозволив нам відкрити новий шлях для розчинення CO 2 за участю іонів пірокарбонату», — сказав професор Чу Лі, доцент кафедри фізики. «Наш ефективний обчислювальний метод не покладається на попередні знання та може автоматично ідентифікувати шляхи реакції без упередженості людини, відкриваючи невідомі механізми реакції, засновані на перших принципах фізики».
Професор Дін Пан додав: «Наш метод використовує методи навчання без нагляду, щоб виявити важливість великих оксоковуглеців у водних реакціях за екстремальних умов, а також продемонструвати, що наноконфайнмент може бути ефективною стратегією для регулювання хімічних процесів. Очікується, що ці відкриття забезпечать нові напрямки для майбутніх технологій поглинання вуглецю».
Дослідження було підтримано Радою дослідницьких грантів Гонконгу, Фондом Краучера та Фондом чудових молодих вчених Національного фонду природничих наук Китаю. Частина обчислювальних робіт була проведена на суперкомп’ютері Tianhe-2 в Національному суперкомп’ютерному центрі в Гуанчжоу.