水煤气变换反应分离捕集二氧化碳的计算与实验研究

In view of current researches emphasizing on the post-combustion carbon dioxide capture, this project proposes a computational evaluating strategy of reaction and separation nanoporous materials for pre-combustion carbon dioxide capture. Experimental adsorption isotherms of reactive components will be measured for some representatives of molecular sieves and organic framework materials. Furthermore, molecular forcefiled between the water-gas shift reaction system and all kinds of materials will be constructed by using the first principle method and GCMC simulations. To accelerate the evaluation of material performances, a set of GPU molecular simulation programs will be developed based on the CUDA architecture to study the reactive separation and diffusion. We will use the RxMC method to investigate the chemical reaction equilibrium and use the DCC-RxMD method to investigate the selective permeation of the reaction components on the membrane materials. By considering reaction thermodynamics and diffusion kinetics, we will try to explore the basic evolution law of the chemical equilibrium composition, the diffusion flux, etc. with the material surface morphology, pore shape and size. Moreover, we expect to identify optimal membrane reaction separation materials, and intensify the collection efficiency of carbon dioxide and hydrogen production rate. With the multi-scale simulation method of quantum mechanics and molecular modeling, we will also reveal the relationship of structure-properties for the reactive membrane materials. It will not only maximize the potential advantages of the novel membrane materials, but also can produce a strong boost to the hydrogen ultilization and carbon dioxide capture.

针对当前研究偏重于燃烧后二氧化碳捕集的现象，本项目提出一种反应分离多孔纳米材料用于燃烧前二氧化碳捕集的计算评估策略。通过实验测量代表性分子筛和有机框架材料内的反应组分吸附等温线，并利用第一性原理和GCMC模拟建立描述水煤气变换反应体系与各类材料间相互作用的分子力场。为加速材料性能评价，基于CUDA架构开发一套研究孔内反应分离与扩散的GPU分子模拟程序，包括利用RxMC方法考察材料中反应的化学平衡；利用DCC-RxMD方法调查膜材料上各反应组分的渗透选择性。通过综合考虑反应平衡热力学与扩散动力学的相互协调性，寻找化学平衡组成、扩散通量等性质随着材料表面形态、孔形状大小演变的基本规律，识别出优秀的膜反应分离材料，强化二氧化碳的捕集效率和产氢率。利用量子力学和分子模拟的多尺度模拟方法，揭示膜反应材料的结构与性能关系，最大限度地挖掘新颖膜材料的潜能，从而对氢能利用和二氧化碳捕集产生有力的推动作用。

当前由二氧化碳排放引起的全球变暖已成为国际社会的热门话题。碳捕集与封存是减轻工业排放的二氧化碳对全球变暖和海洋酸化的一种潜在手段。燃烧后使用多孔材料吸附和捕获烟气中的CO2被认为是应对气候变化的重要方法之一。但是，大多数现有的二氧化碳捕集技术都集中在煤或天然气燃烧之后的过程。实际上，在大规模发电的新技术中，煤气化反应产生CO和H2合成气后，它会发生水煤气变换可逆反应产生更多的H2，然后在燃烧前将其捕获。我们报导了一种名为“反应分离”的新程序来捕获二氧化碳。我们使用了先进的反应蒙特卡罗和分子动力学方法来模拟单壁碳纳米管中的水煤气变换反应。我们发现，直径为0.75nm的（11,11）碳纳米管具有捕获水煤气变换反应中生成的CO2的最佳能力。当进料水气比为1：1时，压力为3MPa，温度为473K，CO2的储存容量达到2.18 mmol / g，碳纳米管内的CO2和H2摩尔比为0.87和0.09， 孔隙中CO的转化率分别高达97.6％，CO2 / H2的分离系数为10.3。因此，利用碳纳米管的反应和分离耦合效应来吸附和存储水煤气变换反应中形成的产物CO2，同时分离产生的清洁能源气体H2是开发新型CO2捕集技术的有前途的策略。