[论文解读] Biochars at the molecular level. Part 2 -- Development of realistic molecular models of biochars

Rosie Wood, Ondřej Mašek+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2023

Phase Equilibria and Thermodynamics被引用 5

一句话总结

本文利用实验数据和迭代验证，构建了三种在低温、中温和高温条件下制备的木质生物炭的精确、表面暴露的分子模型。这些模型经过真实光谱和孔隙结构数据的验证，可实现可靠的分子动力学模拟，用于研究吸附机理，并加速生物炭材料在碳封存和环境应用中的设计。

ABSTRACT

Biochars have been attracting renewed attention as economical and environmentally friendly carbon sequestration materials with a diverse range of applications. However, experimental developments may be limited by the lack of molecular-level knowledge of the key interactions driving these applications. Molecular modelling techniques, such as molecular dynamics simulations, offer a systematic and reproducible alternative and yield atomistic insights into physicochemical processes, allowing the identification of adsorption mechanisms and, through this, informing and guiding experimental development. In this work, on the basis of the critical assessment of the analytical techniques for characterisation of biochars and collation of a large volume of experimental data, we develop molecular models of three woody biochar materials, representative of those produced under low-, medium-, and high-temperature treatments. We characterise these models, validating them against experimental data, and share them with the research community. Furthermore, we detail our iterative approach to the design of these biochar models, discuss what we have learned about the relationship between biochar composition and its morphology, and finally share all of the building blocks used to create these biochar models. With this work, we hope to speed up the uptake of molecular dynamics simulations for the study and development of biochar materials and, to this end, we distribute our easy-to-use surface-exposed biochar models ready for the adsorption studies.

研究动机与目标

• 构建代表不同热解温度的、真实可靠的生物炭原子级分子模型。
• 通过整合多种分析数据，弥合实验生物炭表征与分子尺度模拟之间的差距。
• 开发一种迭代的、数据驱动的方法，用于构建具有验证结构和化学性质的生物炭模型。
• 向研究社区公开可直接使用的生物炭模型，以加速基于仿真的生物炭研究。
• 从分子层面阐明生物炭组成、形貌与其功能性质之间的关系。

提出的方法

• 系统性地收集并批判性评估来自多种分析技术（例如，FTIR、XPS、SEM、BET）的生物炭实验数据。
• 基于木质素、纤维素和无机组分设计代表木质生物质的分子构建单元。
• 利用分子力学和能量最小化方法，迭代构建低温、中温和高温生物炭的三维分子模型。
• 通过比表面积、孔体积、官能团分布和元素组成等实验数据对模型进行验证。
• 应用分子动力学模拟评估模型的稳定性和表面可及性。
• 通过开放获取存储库公开完整模型和构建单元，供社区使用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建生物炭的分子模型，以准确反映实验表征中观察到的结构和化学性质？
• RQ2 热解温度与生物炭分子形貌及官能团分布之间存在何种关系？
• RQ3 生物炭模型的模拟表面性质在多大程度上能与BET比表面积和官能团含量等实验数据匹配？
• RQ4 如何建立一种系统化、可重复的工作流程，从实验数据生成真实可靠的生物炭模型？
• RQ5 特定官能团和表面拓扑结构在生物炭分子水平吸附过程中的作用是什么？

主要发现

• 作者成功构建了三种在低温、中温和高温热解条件下制备的木质生物炭的验证后分子模型。
• 模型验证显示与实验数据具有良好一致性，包括BET比表面积、孔体积和官能团组成。
• 这些模型表现出真实的表面暴露性和化学异质性，可直接用于吸附模拟。
• 迭代建模方法揭示，随着热解温度升高，芳香度增加，含氧官能团减少，结构有序性增强。
• 本研究提供了一套完整的可重复使用的分子构建单元和完整模型结构，供全球研究社区在分子模拟中使用。
• 这些模型的可用性有望显著加速生物炭在碳封存和环境修复应用中的分子动力学研究。