El papel de la química de superficies en la adsorción de CO2 en la biomasa.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 8917 (2022) Citar este artículo

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Los carbones porosos derivados de la biomasa se han considerado uno de los adsorbentes más eficaces para la captura de CO2, debido a su estructura porosa y su alta superficie específica. En este estudio, sintetizamos con éxito carbono poroso a partir de biomasa de apio y examinamos el efecto de los parámetros de adsorción externos, incluidos el tiempo, la temperatura y la presión, sobre la absorción de CO2 en simulaciones experimentales y de dinámica molecular (MD). Además, se investigó la influencia de la química de la superficie del carbono (funcionalidades carboxilo e hidroxilo) y el tipo de nitrógeno en la captura de CO2 mediante simulaciones MD. Los resultados mostraron que el nitrógeno piridínico tiene una mayor tendencia a adsorber CO2 que el grafítico. Se encontró que la presencia simultánea de estos dos tipos de nitrógeno tiene un mayor efecto sobre la sorción de CO2 que la presencia individual de cada uno en la estructura. También se reveló que la adición de grupos carboxilo (O=C-OH) a la matriz de carbono mejora la captura de CO2 en aproximadamente un 10%. Además, al aumentar el tiempo de simulación y el tamaño de la caja de simulación, el error relativo absoluto promedio para los resultados de la simulación de la estructura óptima disminuyó al 16%, lo cual es un valor aceptable y hace que el proceso de simulación sea confiable para predecir la capacidad de adsorción en diversas condiciones.

El dióxido de carbono (CO2), como subproducto de la quema de combustibles fósiles, es la principal causa del cambio climático inusual y del calentamiento global1,2,3. Se estima que sólo las centrales eléctricas basadas en combustibles causarán un aumento del 50% en las emisiones de CO2 para 20304. Sin embargo, debido a la fuerte demanda de combustibles fósiles, como fuente esencial de energía, las emisiones de CO2 no se pueden evitar. Por lo tanto, la captura y el almacenamiento de CO2 han ganado una atención significativa en los últimos años y se han realizado extensas investigaciones para desarrollar materiales y enfoques novedosos para una adsorción eficiente de CO25. Las estrategias potenciales para representar la adsorción de CO2 bajo corrientes de gas combustible a alta presión incluyen la absorción de solventes, la separación por membrana, la adsorción por cambio de presión (PSA) y la adsorción por cambio de temperatura (TSA). PSA es una opción potencial debido a su simplicidad y conveniencia de operación, bajo costo, ahorro de energía (no requiere calefacción para la regeneración) y viabilidad económica, lo que es especialmente beneficioso en el caso de actividades de mediana y pequeña escala6,7. 8. La tecnología PSA es un proceso de adsorción cíclico en la separación de gases que emplea diferentes adsorbentes y tasas de capacidad de adsorción. El tipo de adsorbente es crucial en este procedimiento para lograr un excelente rendimiento de separación9,10. Como resultado, se ha verificado que varios adsorbentes sólidos, incluidos MOF (estructuras organometálicas), zeolitas, polímeros porosos, sílice porosa funcionalizada, óxidos metálicos, carbón activado funcionalizado y carbones porosos, son adecuados para este propósito11. Debido a sus características texturales sobresalientes, su gran área superficial, su porosidad ajustable, su alta estabilidad y su bajo costo, los carbonos porosos derivados de la biomasa se consideran los adsorbentes más deseables para la captura de CO212.

Los carbones porosos se emplean comúnmente en aplicaciones medioambientales y energéticas1. Tienen un gran potencial como soportes de catalizadores y matrices para la captura, almacenamiento y separación de gases2,3. El aumento del área superficial, la estructura de los poros y la química superficial de los carbonos porosos sintéticos ha resultado recientemente en el desarrollo de nuevos tipos con una capacidad mejorada de adsorción de CO2. La captura de CO2 también se puede ajustar aplicando un método de síntesis específico y agregando grupos funcionales como nitrógeno, oxígeno y azufre13,14. En particular, varios investigadores han sugerido que la presencia de un volumen de microporos estrecho en los carbones porosos mejoraba su capacidad de absorción de CO215.

Las moléculas de CO2 se adsorben selectivamente sobre la superficie de los adsorbentes en procesos de adsorción cuando no se produce transferencia de electrones entre el adsorbato y el adsorbente. El fenómeno de fisisorción de gases se produce cuando las fuerzas de Van der Waals mantienen las moléculas durante mucho más tiempo del que pueden en una superficie abierta, lo que facilita la desorbencia del CO2 y la regeneración de adsorbentes para su reutilización16. Dado que la adsorción es un comportamiento complicado, es fundamental investigar diferentes adsorbentes. Además, es difícil examinar los valores de adsorción a temperaturas y presiones no mensurables. Por tanto, es necesario predecirlos a escala industrial y nanométrica. Por ello, se ha utilizado la simulación molecular como técnica complementaria a las mediciones experimentales. Proporciona una visión profunda y esencial de los detalles de la adsorción y las interacciones moleculares entre los diferentes componentes de un sistema como fuente adicional de datos de propiedades. Se pueden utilizar enfoques de dinámica molecular (MD) o Monte Carlo (MC) para estimar la solubilidad-adsorción de gases utilizando metodologías microscópicas17,18. La técnica de simulación más precisa entre los distintos enfoques de simulación es la dinámica molecular, que puede atribuirse al grado de libertad del método. El enfoque en MC es estocástico (probabilístico), pero el método en MD es determinista. En la MD se tiene en cuenta el movimiento directo de las moléculas y sus colisiones con paredes y otras moléculas. En general, este enfoque se basa en la segunda ley de Newton y la ruta de las partículas se calcula integrando esta ecuación. Los parámetros macroscópicos del sistema se pueden obtener obteniendo la ruta, el movimiento y la velocidad de la partícula y luego promediando los valores calculados19. Las simulaciones de MD, incluidas la MD ab initio (AIMD), la MD reactiva (RxMD) y la MD clásica no reactiva, pueden generar información a nivel electrónico o atomístico sobre las características estructurales y dinámicas para predecir las difusividades de los gases. Este método es una metodología estable y adaptable que permite a los usuarios rastrear todo el curso dinámico de un sistema a través del espacio y el tiempo20,21. Además, la simulación gran canónica de Monte Carlo (GCMC) se puede utilizar para determinar la cantidad de saturación bajo diferentes valores de temperatura y presión. El calor de adsorción también se puede calcular simplemente usando la cantidad de adsorción. Se han llevado a cabo investigaciones para determinar los factores que influyen en la cantidad de adsorción de CO2 en diversos materiales22. Según Xiancheng Ma et al., se produjo carbono microporoso con grupos funcionales de oxígeno mediante tratamiento hidrotérmico de activación de biomasa. En este caso, la simulación del GCMC estimó que los grupos de oxígeno y las estructuras de los poros eran responsables en un 63% y un 37%, respectivamente, de la adsorción de CO2. También aclaró que los grupos funcionales de oxígeno retienen CO2 mediante interacciones electrostáticas15. Además, Chen et al. realizaron las simulaciones GCMC y MD para estudiar el comportamiento de adsorción y difusión de CH4 en nanoporos de esquisto con diferentes diámetros de poro en un rango de presión de hasta 20 MPa y a una temperatura específica. Este modelo proporcionó predicciones sobre las características de la distribución espacial, como la distribución de la zona libre y de la zona de adsorción, la distribución del número de gases, la distribución de la densidad del gas y la proporción de gas libre y absorbido17. Leebyn Chong et al. También utilizaron las simulaciones MD y MC para investigar y comparar la adsorción de CO2 y CH4 en kerógenos inmaduros de tipo II. CH4 y CO2 mostraron una adsorción similar en los microporos de la matriz debido a su similar capacidad de hinchamiento y su entorno de confinamiento estrecho. Se descubrió que una mayor absorción de CO2 en comparación con CH4 en el querógeno se debe a las porosidades de tamaño meso23. Xinran Yu et al. determinó el volumen vacío de nano-rendijas de carbono utilizando las simulaciones de GCMC y adquirió las circunstancias experimentales adecuadas para mitigar el efecto de adsorción de helio. Además, examinaron la captura de helio y su densidad local en un poro24. La Figura 1 muestra una descripción general de los diversos gases-líquidos capturados en adsorbentes sólidos en estudios anteriores25,26,27,28.

Una descripción general de la simulación de la captura de diversos gases y líquidos en adsorbentes sólidos en estudios previos25,26,27,28.

En este estudio, combinamos los análisis experimentales y la simulación MD para estudiar la adsorción de CO2 en el carbono poroso derivado de la biomasa de apio, centrándonos en el mecanismo subyacente de la fisisorción. Aplicamos simulación MD utilizando el software LAMMPS (Simulador masivo paralelo atómico/molecular a gran escala) para determinar un vacío aleatorio basado en moléculas de CO2 e investigar su adsorción. La morfología y la estructura se han caracterizado mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, Raman, difracción de rayos X, infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), adsorción-desorción de N2 y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS). En ambas situaciones (experimento y simulación), se investigó la adsorción de CO2 a temperaturas de 298, 308 y 318 K, bajo un rango de presión de 2 a 9 bar para evaluar el rendimiento de la simulación. Debido a la falta de datos experimentales, primero se investigó la cantidad de adsorción aumentando la temperatura y la presión, y luego esta cantidad se predijo mediante simulación en diferentes rangos de temperaturas y presiones. Además, se investigaron los impactos de diferentes tipos de nitrógeno, incluidos el piridínico y el grafito, la química de la superficie y el tamaño de la caja de simulación en la adsorción de CO2, utilizando diferentes estructuras dentro de la condición simulada. Finalmente, utilizando el valor absoluto promedio del error relativo (AARE%), se verificó la precisión de los resultados de la medición. El enfoque de simulación MD se aplica porque puede predecir eficazmente el fenómeno de transporte a nivel atómico respaldado por la movilidad de átomos/moléculas.

Se sintetizó carbono poroso a partir de desechos de biomasa de apio a 700 °C y en 3 h mediante un método autoactivador de un solo paso sin necesidad de un reactivo adicional (los detalles de la síntesis se describieron en el artículo anterior)29. El producto final se decapado con HCl 1 M para eliminar las impurezas restantes y luego se limpió con agua desionizada hasta pH neutro. Posteriormente se secó en estufa a 90 °C y su rendimiento final alcanzó el 13%. La muestra sintetizada se denominó C-700, donde 700 era la temperatura de pirolización. Todos los gases químicos que se utilizaron se enumeran en la Tabla 1. La recolección de apio siguió las directrices y legislación institucionales, nacionales e internacionales pertinentes. El permiso para la recolección de muestras de plantas se obtuvo de la Asociación Forestal de Teherán. Las características estructurales, de textura y químicas del carbono sintetizado se investigaron de la siguiente manera: para la determinación de la estructura del polvo sintetizado, se realizó un análisis de difracción de rayos X en un difractómetro BRUKER D8 ADVANCE con Cu Kα (λ = 1,54 Å). Se empleó el analizador de adsorción Micromeritics ASAP2020 (EE. UU.) para medir las isotermas de adsorción-desorción de N2 a 77 K para determinar el área de superficie específica, el volumen de poros y la distribución del tamaño de los poros. Antes de realizar los análisis de adsorción-desorción, la muestra preparada se desgasificó en condiciones dinámicas de vacío durante 6 h a 150 °C. La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) se realizó con paletas de KBr en un espectrómetro Perkin-Elmer para distinguir los grupos funcionales de la superficie. El análisis de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se realizó mediante el espectrómetro XPS Kratos AXIS Supra y se utilizó una fuente de Al Ka para determinar los tipos de grupos funcionales y composiciones elementales. La espectroscopía Raman se realizó en un espectrómetro micro-Raman Takram (Teksan™, Irán). Se observaron micrografías electrónicas de transmisión de alta resolución en un microscopio TITAN (HR-TEM) FEI (EE. UU.) de 300 kV.

Antes de medir las isotermas de sorción, el sorbente se calentó a 180 °C durante la noche bajo un vacío turbobombeado para asegurar la eliminación completa del gas CO2 preadsorbido y las impurezas. Se empleó un reactor de adsorción de lecho fijo para evaluar el rendimiento de adsorción-desorción de CO2 del C-700. Registra los cambios momentáneos de temperatura y presión conectándose a un analizador de datos, como se muestra en la Fig. S1. Se inyectó N2, como gas de purga, en el compartimiento del dispositivo para eliminar la humedad, evacuar y desgasificar el dispositivo y verificar que no hubiera fugas en las conexiones. Se colocó una muestra preparada de 1 g en el compartimento cilíndrico del dispositivo y se selló completamente. Los experimentos se llevaron a cabo durante 60 minutos a temperaturas de 298, 308 y 318 K y bajo un rango de presión de 2 a 10 bar. Debido a la existencia de un tanque de mezcla en el pasaje, se estabilizó la presión y temperatura del CO2. Luego se alimentó el gas estable al reactor adsorbente. Un trazador de calor eléctrico también proporcionó calor al reactor. Las variaciones en tiempo real de la temperatura-presión del CO2 se regularon y registraron mediante el panel de control y la computadora.

Todas las simulaciones se realizaron con el paquete Simulador masivo paralelo atómico/molecular a gran escala (LAMMPS)30. Los resultados visuales y las imágenes se extrajeron mediante el software VMD31. Principalmente, utilizamos una caja con dimensiones de 180 nm * 60 nm * 60 nm, luego aumentamos el tamaño de la caja a 540 nm * 60 nm * 60 nm y 1020 nm * 60 nm * 60 nm, respectivamente, para investigar el efecto de la simulación. Ampliación del recuadro sobre la adsorción de moléculas de CO2. Es de destacar que la densidad de las moléculas de CO2 fue similar en todas las dimensiones de la caja. El paso de tiempo de las simulaciones fue de 2 fs (0,5 ns para el trazado). Para simular el carbono poroso, se eligió una estructura de escamas de grafito, que es un modelo común y utilizado en diferentes investigaciones32,33. La distribución del tamaño de los poros, las microporosidades y la concentración de algunos grupos oxigenados se introdujeron como limitaciones, pero el modelo construido conservó algunas características clave como el desorden de los poros, la química de la superficie y la heterogeneidad de la estructura. Para asemejarnos a la superficie y densidad deseadas, que son aproximadamente 1200 m2 gr-1 y 300 kg m-3 respectivamente (la información detallada se aclara en la sección de resultados y discusión, Tabla 3), colocamos una mezcla de 24 capas dobles y 6 nanohojuelas de grafeno de una sola capa juntas usando el paquete Packmol34 según nuestros cálculos. Para tener en cuenta la estructura de microporos del carbono poroso colocamos escamas individuales a una distancia mínima de un nm. Las escamas están dopadas con nitrógeno grafítico y piridínico y funcionalizadas con grupos hidroxilo y carboxilo en una proporción específica como se muestra en la Fig. 2, de modo que puedan modelar con bastante precisión la muestra de carbono poroso. Esta estructura fue tratada como rígida durante las simulaciones. En esta simulación, todas las interacciones entre diferentes átomos se modelaron utilizando el potencial de Lennard-Jones (LJ), y los enlaces y ángulos entre moléculas individuales se moldearon con resorte. El potencial LJ se da mediante la ecuación. (1):

Esquema de los grupos implicados en las moléculas estudiadas.

Se utilizaron las reglas de combinación estándar de Lorentz-Berthelot35,36,37 para calcular compuestos de parámetros LJ. La regla de combinación de Lorentz-Berthelot se da mediante la ecuación. (2-3):

Los parámetros correspondientes y las cargas de los átomos e iones se enumeran en la Tabla 2. Las interacciones culombicas de largo alcance se calcularon mediante un solucionador de malla de partículas (pppm). El potencial de interacción culombico estándar (lj/corte/coul/largo) se calcula utilizando la ecuación. (4):

donde C es una constante de conversión de energía, Qi y Qj son las cargas de los dos átomos y ϵ es la cantidad dieléctrica que puede establecerse mediante el comando dieléctrico. El límite rc acorta la distancia de interacción. Se aplicó un radio de corte de 12,0 Å a las interacciones LJ. Las interacciones electrostáticas dentro del radio de corte se calculan directamente y fuera de esta distancia se calculan según el espacio recíproco. Las condiciones de frontera del sistema eran periódicas en todas direcciones. Antes de que comenzara la simulación principal, las moléculas de CO2 se relajaron a una temperatura de 298 K bajo el termostato Langevin durante 50 ps. Durante la simulación, las escamas de grafeno se mantuvieron fijas. Posteriormente, realizamos la simulación a diferentes temperaturas en el rango de 253 a 373 K y bajo presiones que varían de 1 a 10 bar para investigar la adsorción en diversas condiciones. La presión del proceso se calculó mediante la ecuación de Van der Waals (Ec. 5):

donde R es la constante universal de los gases, T es la temperatura absoluta, los parámetros a y b son las constantes de los gases y V es el volumen molar, respectivamente. En esta simulación específica para introducir y controlar la presión, utilizamos la ecuación de Van de Waals. En esta ecuación, el número exacto de moléculas de CO2 en el sistema se describe mediante los diferentes parámetros de la ecuación, incluidos la presión, la temperatura y el volumen del sistema. En esta ecuación la presión y el número de moléculas tienen una relación lineal entre sí, por lo que para alcanzar una presión más alta necesitamos más moléculas de CO2 en el sistema y viceversa. La adsorción de gases CO2 es aquí un proceso completamente físico, por lo que no esperamos ninguna formación de enlaces, sino que la adsorción se describe por el tiempo de residencia de las moléculas y sus interacciones con la superficie del carbono poroso y los grupos funcionales. Por lo tanto, monitoreamos el tiempo de residencia de las moléculas y su densidad en toda la caja de simulación y dentro de la estructura porosa en cada paso de la simulación para calcular la adsorción. Una fase importante de toda simulación MD es el equilibrio. En esta etapa, simulamos durante un período corto y dejamos que las partículas del sistema interactúen entre sí para que puedan encontrar e ir a su posición de equilibrio y minimizar la energía potencial total del sistema. Una vez estabilizada la energía potencial del sistema, podemos realizar la simulación principal.

Las características de textura, morfología y propiedades químicas de la superficie del carbono poroso (C-700) se representan en la Fig. 3. Como se puede observar en la Fig. 3 (a-arriba a la izquierda), el patrón XRD muestra claramente el desarrollo de carbono turboestrático con ordenamiento estructural intermedio entre el carbono amorfo y el grafito cristalino. XRD de C-700 muestra dos picos amplios alrededor de 22–23° y 42–44°, que pertenecen a los planos de los carbonos grafíticos (002) y (100), respectivamente. La micrografía HR-TEM (Fig. 3 (fondo a)) muestra una estructura intermedia cristalina amorfa que es consistente con los resultados de XRD. Además, los picos de la banda D en aproximadamente 1345 cm-1 y los picos de la banda G en alrededor de 1603 cm-1, respectivamente, indican la existencia de un defecto de red de carbono con estructura deformada (sp3) y algo de grafito en capas de orden con vibración sp2 hibridado. átomos de carbono, según espectroscopia Raman (Fig. 3 (a-abajo-derecha)). Además, la existencia de una banda 2D de aproximadamente 2873 (cm-1) indica la presencia local de una estructura similar al grafeno.

(a) XRD, HRTEM, Raman (b) isotermas de adsorción/desorción de N2; (recuadro b) gráficos MP (poros menores de 2 nm); (c) Curvas de distribución de tamaño de poro BJH; (d) transmisión FTIR; (e) Espectro de estudio XPS que muestra la presencia de elementos C, N y O en la estructura; (f) C1, (g) O1 y (h) N1 deconvolución máxima de C-700.

Las Figuras 3b, c representan las isotermas de adsorción/desorción de N2, el gráfico de microporos (MP) y las distribuciones de tamaño de poro (PSD) de C-700, respectivamente. C-700 posee una superficie específica de 1126 m2 g-1, un diámetro de poro medio de 2,5 nm y un volumen total de poros de 0,69 cm3 g-1. Hay un bucle de histéresis IV en la isoterma de C-700 en la clasificación IUPAC (Fig. 3b). Esto indica que se formó una gran cantidad de mesoporos, lo que podría deberse al apilamiento de capas de carbono. La capacidad de adsorción de nitrógeno aumenta significativamente a bajas presiones (p/p0 < 0,01), seguido de un pico prolongado, que sugiere la presencia de una gran cantidad de microporos. A p/p0 > 0,4, se produce condensación capilar, lo que revela las características mesomicroporosas distintivas de los materiales42,43,44,45. Según los resultados de los gráficos de MP y BJH en la Fig. 3 (recuadro b) y (c), el C-700 tiene un volumen de mesoporo y microporo de 0,27 cm3 g-1 y 0,42 cm3 g-1. Según la distribución del tamaño de los poros de BJH, el carbono poroso se compone de microporos (1 a 2 nm), mesoporos pequeños (2 a 5 nm) y mesoporos/macroporos grandes (10 a 60 nm). En consecuencia, el C-700 puede clasificarse como jerárquico46,47. Los grupos funcionales de superficie de las muestras se realizaron además mediante análisis FTIR, como se ve en la Fig. 3d. Se puede ver que el espectro muestra un pico obvio en ~ 3420 (cm-1), 2925 (cm-1) y 2856 (cm-1), que son consistentes con la presencia de la vibración de estiramiento O-H en el hidroxilo. y grupos carboxilo, CH metileno asimétrico y simétrico, y grupos metilo en CH, CH2 y CH3 alifáticos de la lignina, respectivamente. Las bandas de 1730 y 1600 (cm-1) son causadas por el estiramiento de los enlaces C=O en lactona y derivados de ácido carboxílico y grupos O-H, respectivamente. Una banda alrededor de 1560 cm-1 corresponde al C=C conjugado y un pico muy amplio entre 1200 y 900 cm-1 representa la banda de vibración de tracción C-O en el éter, fenol y alcohol48,49,50.

Se realizó un análisis XPS para determinar la evolución de los estados químicos y las composiciones elementales en la superficie del adsorbente. Los espectros del carbono poroso indican la existencia de especies y cantidades de carbono, nitrógeno y oxígeno, como se puede ver en la Fig. 3e-h y la Tabla 3, respectivamente. El análisis de la encuesta que se muestra en la Fig. 3e y la Tabla 3 confirma tres picos distintos ubicados alrededor de 285, 401,5 y 533 eV que se atribuyen al carbono (93,7%), nitrógeno (1,49%) y oxígeno (4,8%), respectivamente. Los espectros desconvolucionados de C1 en la Fig. 3f indican que hay tres picos a 285, 287 y 289 eV, correspondientes al enlace C – C (carbono grafítico), al enlace C-O (fenólico) y al enlace C = O (carboxilo). , respectivamente. Los espectros O1 de C-700 (ver Fig. 3g) se ajustan en tres picos ubicados a 533 y 534,5 eV, que pueden asignarse a los grupos C – O y O = C – O. Además, hay dos enlaces de nitrógeno grafítico (NQ): piridínico observables para N1 (Fig. 3h) 13,51,52.

La estructura de carbono poroso sintetizada contiene nitrógeno grafítico y grupos hidroxilo, según los resultados de la sección de caracterización. Por lo tanto, ambos se incorporaron a la superficie de la muestra simulada. En este trabajo, cada simulación se realizó cuatro veces para reducir la inexactitud. Uno de los factores más importantes que afectan el rendimiento de adsorción y difusión de un material es su superficie específica. Los adsorbentes con grandes volúmenes abiertos y áreas superficiales tienen una alta capacidad de adsorción de gases32. Para comparar la cantidad de adsorción de CO2 en estas dos situaciones (Experimental-Simulación), se supuso que el área de superficie específica y el porcentaje de elementos de superficie idénticos eran los mismos según los datos BET y XPS. La Figura 4 muestra la cantidad de absorción de CO2 en condiciones experimentales y simuladas, en términos de tiempo y presión bajo diferentes temperaturas. La naturaleza cuadripolar de la molécula de CO2 ha sido propuesta como una propiedad beneficiosa para producir una interacción superficial con el carbono poroso mediante los procesos de dispersión e inducción12. Como se puede ver en la Fig. 4a, al aumentar el tiempo de adsorción, inicialmente la adsorción de CO2 en el sorbente aumenta con una pendiente muy pronunciada y después de alcanzar una meseta, su tasa permanece constante, lo que es cinéticamente consistente con los resultados de la muestra simulada. (dentro del plazo de simulación) (ver Fig. 4b-d). Al comienzo del proceso de adsorción, una gran cantidad de sitios de adsorción vacíos de alta afinidad están presentes en la superficie del adsorbente y las moléculas de CO2 están en contacto directo con el adsorbente, creando fuertes fuerzas entre el adsorbente-adsorbato (interacciones gas-sólido). . A medida que continúa el proceso de adsorción, los poros de carbono porosos se ocupan, provocando así una interacción más débil entre el sorbente y las moléculas de gas53,54. La capacidad de adsorción de CO2 del C-700 se midió a temperaturas que oscilaron entre 298 y 318 K, lo que indica que reducir la temperatura de adsorción puede mejorar la capacidad de adsorción de CO2 (ver Fig. 4a). El aumento de la interacción se debe a un aumento en la energía cinética de las moléculas gas-sólido involucradas en el proceso de adsorción, lo que provoca una mayor interacción molecular y reduce la superficie de adsorción eficiente, según la ecuación de Boltzmann. Como resultado, la capacidad de adsorción obtenida durante el proceso de adsorción es más beneficiosa a las temperaturas más bajas, lo que coincide con los resultados de la muestra simulada (Fig. 4b-d)55,56. La adsorción más alta en el C-700 y el modelo simulado es 9,57 y 3,39 (mmol g-1), respectivamente, a 10 bar de presión y 298 K. A temperaturas más altas, los enlaces entre el sorbente-adsorbato se debilitan y la repulsión inversa se vuelve más intensa. favorable, lo que resulta en un cambio de equilibrio en la dirección opuesta al proceso de adsorción. A medida que aumenta la temperatura de adsorción, aumenta la actividad molecular y se intensifica la competencia por alcanzar los sitios de adsorción restringidos. Por lo tanto, las repulsiones de las moléculas aumentan y esto resulta en una disminución de la cantidad de adsorción. Luego, validamos el procedimiento de simulación anterior comparando los datos de adsorción de CO2 pronosticados y experimentales a temperaturas en el rango de 298 a 318 K y bajo presiones de 1 a 10 bar (Fig. 4e). Los resultados experimentales muestran que bajo presiones de 2 a 6 bar, los valores de adsorción a temperaturas de 308 y 318 K son casi los mismos variando entre 4,1 y 4,2 mmol g-1. Pero bajo presiones superiores a 6 bar, las cantidades de adsorción muestran un mayor aumento a 308 K (6–7,2 mmol g-1). Se pueden ver resultados similares a 298 K en las condiciones simuladas. La cantidad total de adsorción de gas depende tanto de la energía de interacción CO2-estructura como del volumen libre (o espacio poroso). El espacio poroso tiene un papel importante en el proceso de adsorción47. A medida que aumenta la presión, aumenta la fuerza ejercida por la presión para mover las moléculas desde la superficie hacia los poros interconectados, y el mayor espacio de los poros facilita este transporte. En otras palabras, la fuerza ejercida por las moléculas adsorbentes sobre las moléculas adsorbidas en la superficie permite que los poros atrapen más gas. Posteriormente, en el proceso de simulación de fuerzas entrantes del tipo fuerza de adición o fuerza de ajuste, resulta que todos los poros se llenan al principio a una velocidad muy alta. Como resultado, el rápido incremento de la adsorción al inicio del proceso de adsorción a altas presiones se vuelve más justificable57. La Figura S2 muestra las curvas de adsorción-desorción de la estructura simulada a 298 K y por debajo de 10 bar en función del tiempo de ejecución de la simulación. Para realizar esta prueba, volvimos a ejecutar la estructura que había adsorbido CO2, por lo que la caja se vació del gas. Se eliminaron las moléculas que se separan de la superficie y entran al espacio de la caja y se calculó la capacidad de desorción. Está claro que el menor gradiente de desorción vs adsorción se debe al predominio de la energía entre la superficie y las moléculas de CO2. La evolución de las moléculas de gas en función del tiempo se observó en tres regiones. Los siguientes son los resultados: (1) las moléculas de CO2 se han adherido físicamente a la superficie con la menor energía posible; (2) Llenan la superficie; (3) Y cuando los poros y las capas se estabilizan, comienzan a desorberse58. Utilizando las trayectorias registradas durante las carreras de MD, se determinó que el tiempo de residencia promedio de las moléculas de CO2 en la superficie era de 2 ns59. Según los hallazgos, la captura prevista utilizando sólo interacciones LJ es significativamente menor que el resultado experimental. La incorporación de interacciones columbinas entre moléculas de gas permite una concordancia significativamente mayor entre la simulación y el experimento al estimar la carga saturada60.

(a) Isotermas experimentales de adsorción de CO2 a una presión de 10 bar a 298–318 K durante 4500 segundos. (a); (b), (c) y (d) Capacidad de adsorción de CO2 de simulación a 298 K, 308 K y 318 K, en el rango de 1 a 10 bar de presión durante 10 ns; (e) Comparación de la isoterma de adsorción de CO2 experimental y de simulación en el rango de 1 a 10 bar.

Como se propone, la introducción de heteroátomos autodopados como el nitrógeno en una estructura de carbono porosa aumenta su interacción superficial con las moléculas de CO2 de manera efectiva y, por lo tanto, da como resultado una capacidad y selectividad mejoradas para la captura de CO261,62. Se cree principalmente que los grupos funcionales de nitrógeno unidos covalentemente actúan como sitios activos básicos de Lewis para el anclaje a las moléculas ácidas de CO263,64. Sin embargo, el mecanismo de adsorción sigue siendo controvertido. También se afirma que el proceso puede basarse en la interacción entre carbonos dopados con N altamente electrostáticos y el momento cuadripolar molecular del CO2, que se crea en el campo electrostático alrededor de la superficie del carbono que contiene N. Otro mecanismo probable es la aparición de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de CO2 y los átomos de hidrógeno (NH y CH) en la superficie del carbono65. En un carbono que contiene nitrógeno, sólo unos pocos átomos de carbono de una matriz rica en carbono son sustituidos por átomos de nitrógeno, por lo que se crean diferentes tipos de funcionalidades del nitrógeno en la superficie del carbono66. Los resultados de XPS que se investigaron en la sección de caracterización muestran que las funcionalidades de nitrógeno del carbono poroso C-700 son grafítico-piridínicas. Para examinar el papel del nitrógeno mediante simulación de una manera más apropiada, se sustituyó el tipo grafito por nitrógeno piridínico en la estructura simulada para encontrar el papel separado de cada grupo de nitrógeno. Los resultados de la simulación indicaron que el nitrógeno piridina fue el contribuyente más eficaz a la captura de CO2, como se ilustra en la Fig. 5a. La Figura 5b muestra la presencia de nitrógeno piridínico en la estructura simulada. Además, la presencia simultánea de estos dos tipos de nitrógeno indica que la absorción aumenta considerablemente (4,34 mmol g-1). La capacidad de adsorción fue de 3,39 mmol g-1 en presencia de nitrógeno grafítico, mientras que en la estructura con nitrógeno piridínico alcanzó hasta 3,72 mmol g-1. Parece que una mayor cantidad de carga en nitrógeno piridínico (0,33 q) frente a grafítico (0,31 q) (como se muestra en la Tabla 2), conduce a una mayor adsorción. El nitrógeno piridínico suele formarse a temperaturas relativamente más bajas. Sin embargo, también se puede obtener mediante conversión de grupos piridónico-pirrólicos a temperaturas moderadas. Por otro lado, a temperaturas más altas, tanto el nitrógeno pirrólico como el piridínico pueden transformarse en tipos grafíticos13,67. En comparación con el nitrógeno grafítico, el tipo piridínico tiene una mayor energía de enlace. La importante transferencia de carga del nitrógeno piridínico al CO2 conduce a una reducción del ángulo de enlace del CO2. Los niveles de energía orbital molecular más altos ocupados y más bajos desocupados de CO2, así como el ligero cambio máximo en el nivel de piridina, ayudan al proceso de adsorción a través de la transferencia de carga68.

(a) Simulación de isotermas de absorción de CO2 a 298 K en un rango de presión de hasta 10 bar en una estructura generada en presencia de N piridínico (azul), N grafítico (rojo) y una mezcla de ellos (naranja); (b) Instantánea representativa de CO2 (rojo-negro) cerca de Pyridinic-N.

La superficie del carbono poroso, que influye en el comportamiento de captura de CO2, puede verse influenciada significativamente por grupos funcionales que contienen oxígeno. La química de la superficie del carbono poroso está determinada por la acidez, la electronegatividad y los grupos hidroxilo de las estructuras69. Para investigar mejor el papel de los grupos carboxílicos en la mejora de la absorción de CO2 mediante simulación MD, estos grupos funcionales se agregaron a la estructura de simulación inicial, que contenía nitrógeno grafítico y grupos hidroxilo. Como se muestra en la Fig. 6a, la cantidad de adsorción tanto en la estructura inicial como en la estructura que contenía grupos carboxilo se comparó a 298 K y bajo presiones de hasta 10 bar. La Figura 6b muestra una ilustración esquemática de la estructura simulada que contiene grupos carboxílicos, así como la adsorción de CO2 en esta estructura. Los resultados de la adsorción indicaron que al agregar grupos carboxílicos (la proporción de los grupos carboxilo a los hidroxilos es 1:1) a la superficie de la estructura simulada, la capacidad de adsorción aumenta bajo todas las presiones medidas (10% de crecimiento en promedio) y su máxima el valor aumenta de 3,39 a 3,6 mmol g-1 en las mismas condiciones. Parece que las funcionalidades oxigenadas, como los grupos de ácido carboxílico, añaden una carga negativa a la superficie y cambian la electronegatividad de la superficie70. Además, el aumento del grupo carboxílico en la superficie mejora la polaridad superficial de los carbonos porosos, lo que conduce a una mejora de la capacidad de adsorción de CO2 con un momento cuadripolar71,72. Los grupos carboxilo de la estructura tienen propensión a adquirir electrones de sus átomos de carbono vecinos. Por lo tanto, proporcionan una reacción de bases de Lewis y mejoran las interacciones de enlace con las moléculas de CO273. En otras palabras, la presencia de abundante oxígeno y los ácidos carboxílicos derivados en la estructura simulada conducen a interacciones electrostáticas más altas debido a su mejor aceptación/donación de electrones durante el proceso de simulación. Esto da como resultado una mejora de la captura de CO274. En consecuencia, los hallazgos de la simulación son consistentes con investigaciones anteriores75. Una instantánea de la captura de CO2 en esta condición (Fig. 6b) muestra que las moléculas de CO2 tienden a ser adsorbidas cerca de los grupos oxigenados (hidroxilo y carboxilo). Para comprender mejor el papel de los grupos funcionales, los valores de estos grupos se aumentaron individualmente en una determinada proporción (la proporción de los grupos hidroxilo al carboxilo es 1,5:1, 2:1 y 3:1 y viceversa). Está claro que los grupos carboxilo desempeñan un papel mayor en la absorción de CO2 que los grupos hidroxilo, como se muestra en la figura 6c, d.

(a) Comparación de la simulación de isotermas a 298 K en un rango de presión de 0 a 10 bar en presencia de un grupo carboxílico y sin él; (b) Instantánea de la captura de CO2 en un grupo funcional típico (grupo carboxílico) presente en materiales carbonosos simulados; Molécula de CO2 (rojo-negro); (c, d) La cantidad de captura de CO2 en diferentes proporciones de grupos hidroxilo y carboxilo a 298 K en un rango de presión de 0 a 10 bar.

Para evaluar los resultados de la adsorción y compararlos con mayor precisión con los valores experimentales, la caja de simulación se modeló en diferentes dimensiones frente a la estructura porosa sintetizada y también se incrementó el tiempo de simulación. Como se muestra en la Fig. 7, la cantidad de absorción de CO2 en la caja de simulación inicial con una relación de tamaño de 1: 3 (el tamaño de la estructura porosa con respecto a la caja de simulación) se comparó con cajas de dimensiones más grandes a 298 K y menos de 10 bar. En esta sección se generaron dos nuevas cajas de simulación con proporciones de tamaño de 1:9 y 1:17 (Fig. S3). Cuando utilizamos cajas más grandes también aumentamos los tiempos de simulación. Mientras usábamos el primer cuadro, aumentamos el tiempo de simulación a 10 y 20 ns. Para el segundo cuadro, fijamos el tiempo de simulación en 40 ns. Aumentar el tamaño de la caja hasta 1:9 mostró diferencias importantes en las propiedades de adsorción. Quedó claro que después de la relación mencionada, el aumento del tamaño no afectó el crecimiento de la adsorción y el tiempo (40 ns vs. 20 ns) fue el factor que condujo a la mejora de la capacidad de adsorción. Para la caja inicial y el tiempo de simulación inicial (1:3, 2 ns), la capacidad de adsorción se calculó en 3,6 mmol g-1, mientras que este valor alcanzó hasta 6,8 mmol g-1 para el tamaño de la caja y el tiempo de simulación de 1:17 y 40 ns, respectivamente. Dado que la estructura final contenía nitrógeno carboxílico y piridínico, en la estructura simulada colocamos cuatro elementos principales, nitrógeno grafítico-piridínico y grupos carboxílicos-hidroxilo, y la denominamos estructura óptima. La estructura simulada óptima tuvo una adsorción de 7,95 mmol g-1 en la caja más grande y el tiempo de simulación más largo (40 ns). Los resultados muestran claramente que la presencia de estos cuatro componentes principales en la estructura tiene un papel mucho más efectivo en la adsorción de gas que la presencia de cada uno de estos componentes por separado. Sin embargo, el uso de cuadros más grandes aumentó significativamente el tiempo de cálculo. También está claro que según los resultados de la Tabla 3, la adición de grupo carboxilo y nitrógeno piridínico no tiene mucho efecto en el aumento del área de superficie específica, lo que indica que estos parámetros no juegan un papel significativo en el aumento de la porosidad76,77. La densidad del CO2 se determina mediante la ecuación de Van der Waals y es la misma en todos los cuadros. Debido a que el sistema está aislado y el número de moléculas de gas en la caja inicial permanece constante, el número total de moléculas en la caja se reduce considerablemente al adsorber estas moléculas en la superficie del carbono poroso. La densidad del CO2 se reduce constantemente hasta que cesa el proceso de adsorción. A medida que aumenta el tamaño de la caja y la cantidad de moléculas de gas, la densidad total de CO2 tendría una menor disminución durante el proceso de adsorción. Como resultado, parece que la capacidad de adsorción ha aumentado.

Comparación de la capacidad de adsorción (a 298 K a 10 bar) en varios cuadros de simulación a 10–40 ns para la estructura inicial y la estructura óptima.

La Figura 8 muestra las funciones de distribución radial (RDF) para CO2 (C – C RDF) en diferentes tiempos de simulación por debajo de 10 bar, lo que proporciona una mejor comprensión de la calidad del proceso de adsorción:

donde g(r) es el RDF, n(r) es el número promedio de átomos con ancho Δr a una distancia r y Ƥ es la densidad atómica media. Esta función se define como la posibilidad de encontrar moléculas de CO2 a r distancias de la superficie porosa del carbono en comparación con la probabilidad esperada para una distribución completamente aleatoria a la misma densidad de moléculas de gas. Esta figura muestra claramente picos notables para los RDF de CO2 a distancias cercanas a 3,5 Å, lo que indica adsorción de capa única. La segunda capa de adsorción está oscurecida por los poros muy irregulares y restringidos.

Análisis de la función de distribución radial de CO2 (C – C RDF) en diferentes tiempos de simulación (a 298 K bajo 10 bar).

Todos los factores químicos de la superficie que afectan la tasa de sorción de gas pueden desempeñar un papel eficaz en la cinética de adsorción. Para facilitar el estudio de la cinética de adsorción, se determina un punto de saturación y las fluctuaciones de adsorción (± 0,1 mmol g-1) se ignoran hasta que se considera la misma tasa de adsorción. Los hallazgos se verifican hasta 10 ns para un cálculo más rápido. Además, el tipo de pendiente se determina en un modelo lineal. Las moléculas adsorbidas aumentan bruscamente al inicio de la sorción y luego se vuelven casi planas (punto de saturación) a medida que aumenta el tiempo78. El llenado de los poros y el inicio de la adsorción de una capa sobre la superficie del carbono poroso son las causas de este fenómeno. Las colisiones aumentan a medida que las otras moléculas se acercan a la superficie y casi no hay sorción en la superficie. Por lo tanto, antes de llegar a esta fase, debemos comparar la tasa de adsorción. La cinética puede considerarse desde dos aspectos diferentes. Debido a que la capacidad de adsorción de la estructura óptima es mayor que la de otras estructuras, el punto de saturación de adsorción llega más tarde. Esto ilustra el importante papel que han desempeñado todos los participantes (efecto simultáneo de los grupos carboxil-hidroxilo y el nitrógeno grafito-piridínico). Además, la gráfica de la muestra óptima tiene una pendiente mayor que la de las otras muestras y ha adsorbido más gas en un tiempo constante, lo que confirma la cinética de adsorción más rápida de la estructura. La presencia de grupos nitrógeno piridínico, carboxilo e hidroxilo, respectivamente, tiene un efecto más fuerte sobre la cinética de la estructura óptima (Fig. 9)79.

Comparación de la cinética de adsorción de gases en diferentes condiciones (a 298 K y 10 bar). Los círculos (Negro-Rojo) dibujados en el diagrama muestran el punto inicial de saturación.

Se predijo la cantidad de sorción de CO2 a 373 K y 253 K y por debajo de 10 bar para evaluar el tipo de velocidad y movimiento de las moléculas, como se muestra en la Fig. 10a. La caja para la medición de prueba se seleccionó de la estructura óptima tipo Sim-40ns-17x para mostrar una capacidad de captura de CO2 relativamente más precisa. Para una mejor revisión, las gráficas de energía cinética relacionadas con estas dos temperaturas se compararon con varias temperaturas (ver Fig. 10b). Las temperaturas frías son ventajosas para la adsorción. Por lo tanto, la capacidad de adsorción aumenta fuertemente por debajo de la temperatura ambiente. Puede estar relacionado con la difusión de gases y una fuerte interacción entre sorbato-sorbente. Una fuerte caída de temperatura indica que las moléculas se mueven lentamente y, como resultado, la colisión entre ellas se reduce considerablemente. Por lo tanto, la desorción en la superficie de simulación se reduce significativamente y las moléculas difícilmente pueden dispersarse desde la superficie, por lo que la cantidad de adsorción alcanza hasta 10,52 mmol g-1. Por el contrario, a 373 K, el rápido movimiento de las moléculas las lleva a tener graves colisiones entre sí que resultan en una fuerte disminución de la adsorción (2,3 mmol g-1). El aumento de temperatura pareció provocar que el movimiento de las moléculas cambiara de simétrico a asimétrico80,81,82. Para confirmar esto, se calculó la energía cinética de los átomos (ke/átomo) a diferentes temperaturas utilizando la ecuación. (6):

donde m (g) es la masa y V (m/s) es la velocidad de cada átomo. Como se muestra en la Fig. 10b, al aumentar la temperatura hasta 373 K, la energía cinética aumenta de 1765 a 1976 kJ mol-1. La temperatura está asociada a la energía cinética y depende únicamente de la velocidad83.

(a) predicción de adsorción de CO2 a 253 K y 373 K bajo 10 bar; (b) La energía cinética de las moléculas de CO2 en el rango de temperaturas de 253 a 373 K.

Para comprender mejor el proceso de adsorción, se calculó el calor isostérico de adsorción, que es una medida de la energía de enlace promedio de una molécula de gas adsorbato y la superficie del sorbente en una cobertura superficial específica, con una cantidad constante de sorbato adsorbido. Con los datos de las isotermas y utilizando la ecuación de Clausius-Clapeyron, se calculó el calor isostérico de adsorción (Qst) a varias temperaturas (298, 308 y 318 K). El calor isostérico de la adsorción de CO2 para ambas situaciones se muestra en la Fig. 11. Después de representar gráficamente lnPCO2 versus 1/T en una cantidad definida de CO2 adsorbida, las pendientes de las líneas rectas pueden usarse para estimar el valor de Qst.

Calor isostérico de adsorción de CO2 experimental y de simulación a tres temperaturas diferentes de 298, 308 y 318 K.

El valor calculado de Qst (< 45 kJ mol-1) para el sorbente C-700 es inferior a 80 (kJ mol-1), lo que indica que la adsorción de CO2 es física y similar a los resultados publicados en la literatura sobre otros casos de adsorción de CO2 utilizando ACs1 ,84,85,86. En los resultados de la simulación, los valores de Qst se mantienen en el rango de 43,7–57,2 kJ mol-1, lo que indica valores más altos que los datos experimentales y confirma que el calor de adsorción fue mucho menor que la energía para la quimisorción (> 80 kJ/mol) y Unión covalente. Esto muestra un acuerdo tolerable para capturar con precisión las energías de adsorción en los resultados de la simulación. Para ambas condiciones, a medida que aumentaron la cobertura de la superficie y la carga de CO2, los valores de calor isostérico cayeron rápidamente y se estabilizaron con cargas de CO2 más altas. Esta variación en Qst se puede atribuir a una superficie energéticamente heterogénea para la adsorción de CO2. Los mayores valores de Qst en la etapa inicial de la adsorción pueden atribuirse a la adsorción de CO2 en sitios de unión fuertes y al llenado de microporos ultrafinos. Por otro lado, a medida que aumenta la cobertura superficial, los valores de Qst disminuyen. Esto puede explicarse por interacciones más débiles entre el CO2 confinado en los poros más grandes y la superficie53,73,87,88,89. El valor inicial de Qst simulado fue mucho mayor que los valores experimentales. El valor absoluto promedio del error relativo (AARE%) se calculó mediante la ecuación. (8):

Los resultados de la simulación mostraron un contenido ligeramente mayor de oxígeno y nitrógeno y también una cantidad mucho mayor de grupo funcional hidroxilo (–OH) en comparación con los resultados experimentales (C-700). Las fuerzas electrostáticas y de dispersión son inducidas por la interacción entre los dipolos localizados de los grupos hidroxilo y el momento cuadripolar del CO2, mejorando el valor Qst de la adsorción de CO2. Significa que el grupo funcional (hidroxilo) puede aumentar el calor de la adsorción inicial de las moléculas de CO2 en los sorbentes74,90,91,92.

Para la verificación de los resultados de la simulación, se utilizó el % AARE para determinar la precisión de la simulación en cada paso, como se muestra en la Tabla 4. 17x-40ns tiene la tasa de error más baja y el mayor cumplimiento con los resultados de adsorción experimentales (% AARE de 28 %). Sin embargo, la estructura final tiene el mayor tiempo de cálculo en comparación con otros casos (2614 min). La diferencia entre la MD y los resultados experimentales se discute en detalle y se puede atribuir a algunos factores como deficiencias potenciales, diferentes distribuciones de porosidades versus la muestra experimental, distribución de carga electrostática, ausencia de algunos grupos funcionales en la superficie generada, y el tamaño de la caja de simulación93,94,95. Además, debido a que el CO2 es una molécula lineal, su orientación juega un papel clave en la adsorción sobre defectos superficiales y, por lo tanto, los sitios energéticamente beneficiosos para la adsorción de un adsorbato monoatómico (por ejemplo, el sitio de oxígeno en el CO2) pueden no estar disponibles para la molécula poliatómica de CO296 ,97.

El propósito de este estudio fue investigar el comportamiento de la sorción de CO2 en carbono poroso bajo diferentes circunstancias externas e internas. En resumen, sintetizamos carbono poroso (C-700) con una superficie específica alta de 1164 m2 g-1, un alto volumen de poros total de 0,69 cm3 g-1 y un contenido de N2 de 1,49%. El método de simulación MD, utilizando el software simulador LAMMPS, se aplicó en combinación con los experimentos para estudiar el efecto de las condiciones externas, incluidos el tiempo, la temperatura y la presión, sobre la tasa de adsorción de CO2. Los resultados experimentales de adsorción en función del tiempo demostraron un fuerte aumento inicial en la adsorción de CO2, que es causado por una enorme cantidad de poros vacíos de alta afinidad en la superficie del carbono y el contacto directo con las moléculas de CO2 que resultan en fuertes interacciones gas/sólido. A medida que continúa el proceso, los poros se ocupan y la adsorción alcanza una meseta. Los procedimientos experimentales son cinéticamente consistentes con los resultados de la simulación. Además, se examinó la adsorción a diferentes temperaturas (298 K a 318 K) y presiones (2 a 10 bar). La cantidad de adsorción más alta tanto en C-700 como en la estructura simulada inicial se logró a 298 K y por debajo de 10 bar con 9,57 y 3,39 mmol g-1, respectivamente. Otro aspecto que tenemos en cuenta es la influencia de los parámetros internos de adsorción, incluida la química de la superficie del carbono poroso y su tipo de nitrógeno, en la adsorción de CO2. Los datos de simulación reconocen la investigación anterior al revelar que la capacidad de adsorción de la estructura simulada aumentó al reemplazar el nitrógeno grafítico por el tipo piridínico. Por otro lado, al introducir grupos funcionales carboxilo en la superficie de la estructura simulada inicial, se aumentó la adsorción de CO2. Finalmente, se investigó el efecto del tiempo de simulación y el tamaño de la caja de simulación sobre la adsorción de CO2. El aumento del tiempo de simulación de la relación de tamaño de la caja inicial (de 1:3 y 10 ns a 1:9 y 40 ns) y el uso simultáneo de todos los componentes principales de la estructura dieron como resultado una mejora de la adsorción (de 3,6 mmol g-1 a 7,95 mmol g-1) y por lo tanto aumentó el cumplimiento entre los resultados de la simulación y los experimentos. Los resultados de adsorción muestran el mayor efecto de la estructura óptima (presencia simultánea de grupos carboxil-hidroxilo y nitrógenos grafito-piridínicos) > Nitrógeno piridínico > Grupos carboxílicos > Grupos hidroxilo sobre la cinética de adsorción, respectivamente. Como resultado, al considerar los factores examinados, incluida la funcionalidad nitrógeno-carboxílico, el tiempo de simulación y el tamaño de la caja de simulación, el porcentaje de error relativo absoluto promedio (AARE%) para el proceso de simulación disminuyó al 16%. Por lo tanto, este enfoque puede usarse como un método relativamente apropiado para estimar la cantidad de adsorción de CO2 a temperaturas y presiones altas y bajas que hacen que las mediciones experimentales sean imposibles.

Todos los datos generados o analizados para la parte experimental durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y su archivo de información complementaria]. Los conjuntos de datos de simulación generados y/o analizados en el estudio actual están disponibles a pedido razonable, debido a los grandes volúmenes de datos asociados. Además, todos los demás datos que respaldan los argumentos de este artículo y otros hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable. Las simulaciones MD se realizaron utilizando el paquete de software LAMMPS. Si necesita conocer la estructura del código de simulación, puede comunicarse con los siguientes correos electrónicos: [email protected], [email protected].

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Mobin Safarzadeh Khosrowshahi, Mohammad Ali Abdol, Elnaz Khakpour, Hosein Banna Motejadded Emrooz y Sadegh Sadeghzadeh

Escuela de Ingeniería Química, de Petróleo y Gas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán (IUST), Narmak, Teherán, 16846, Irán

Hossein Mashhadimoslem y Ahad Ghaemi

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MSK, MAA, HM y EK escribieron el texto principal del manuscrito y prepararon todas las figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito. La estructura general del artículo fue escrita por MSK, MAA y HBME. La sección de simulación fue preparada por MAA y SS y los dispositivos necesarios para la simulación y medición de la adsorción fueron preparados por HM y AG.

Correspondencia a Hosein Banna Motejadded Emrooz, Sadegh Sadeghzadeh o Ahad Ghaemi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Khosrowshahi, MS, Abdol, MA, Mashhadimoslem, H. et al. El papel de la química de superficies en la adsorción de CO2 en carbonos porosos derivados de biomasa mediante resultados experimentales y simulaciones de dinámica molecular. Informe científico 12, 8917 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12596-5

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Recibido: 21 de marzo de 2022

Aceptado: 06 de mayo de 2022

Publicado: 26 de mayo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12596-5

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