随着人类社会经济和工业水平的发展，各项生产活动产生的温室气体越来越多，引起了全球变暖和极端天气等一系列问题。二氧化碳（CO2）作为一种导致温室效应的主要气体，其吸收与利用的过程受到了广泛关注。碳捕集技术的发展对于实现碳达峰与碳中和意义重大。有机胺作为一种常用的燃烧后碳捕集溶剂备受关注，与其他吸收溶剂相比，具有吸收容量大、操作成本低和稳定性高等优点，然而常用的有机胺溶剂仍存在化学吸收反应动力学较差等问题。目前，基于实验的经验试错方法无法实现大规模筛选及设计有机胺，而计算机辅助分子设计方法通过将分子设计问题表述为由目标函数、结构约束和性质约束组成的混合整数非线性规划模型（数学规划模型），可从分子性质需求出发，实现大规模反向优化设计分子结构的目标，因此受到了广泛关注。
本文重点研究有机胺结构与其化学吸收过程的活化Gibbs自由能之间的构效关系，并利用过渡态初猜结构生成方法，集成化学吸收反应动力学模型与数学规划方法，实现自动、反向和优化设计CO2化学吸收活化Gibbs自由能最小的有机胺分子结构的目标。
研究方法
本文提出一种集成反应动力学模型与数学规划方法的计算机辅助碳捕集有机胺溶剂设计框架。首先，基于量子化学方法，构建可调控有机胺化学吸收CO2的活化Gibbs自由能的反应动力学模型。其次，利用过渡态初猜结构生成方法，集成反应动力学模型与数学规划方法，自动、反向及优化设计有机胺分子结构，使有机胺分子结构的活化Gibbs自由能最小且满足其他性质要求。最后，通过相互作用区域指示函数验证有机胺设计结果在反应动力学方面的合理性。
成果简介
本文通过集成反应动力学模型与数学规划法的计算机辅助碳捕集有机胺溶剂设计框架，实现了活化Gibbs自由能最小且满足其他性质约束的有机胺溶剂分子结构的智能设计。最终设计得到的最优有机胺(SMILES:CNCC(C)O)的反应动力学速率大于工业常用的MEA，其活化Gibbs自由能比MEA降低了10.7%。同时，一般仲胺的稳定性和能耗都优于伯胺，而活化能排名第一的有机胺属于仲胺，因此其相比于伯胺MEA可能更具有工业应用优势。
图文导读
图1 计算机辅助碳捕集有机胺溶剂设计框架
有机胺溶剂设计框架如图1所示。根据过渡态理论，碳捕集反应过程的活化Gibbs自由能计算需获取有机胺基元反应的过渡态结构，而通常数学规划模型分子设计结果是稳态分子结构。因此，本文采用一种基于反应位点的过渡态初猜结构生成方法生成过渡态初猜结构。通过输入基元反应的反应物或产物的SMILES(分子文本)，再结合提前针对特定反应的反应位点建立的基于SMARTS的反应模板，即可自动、快速生成过渡态初猜结构。基于过渡态初猜结构生成方法，本文将计算机辅助碳捕集有机胺溶剂设计问题表述为由目标函数(最小化活化Gibbs自由能)、结构约束和性质约束组成的混合整数非线性规划模型。通过分解式算法对该模型进行求解，初步得到了45个符合所有约束条件的SMILES。为得到能量最低的有机胺与过渡态构象用于活化Gibbs自由能的计算，本文还通过构象异构体搜索方法搜索了每个反应的有机胺和过渡态结构的构象。之后进一步对这些构象进行了严格的密度泛函理论计算，并选择能量最低的构象来计算活化Gibbs自由能。最终按活化能升序进行排序，并通过相互作用区域指示函数分析有机胺与CO2反应位点处的相互作用力，以此验证有机胺设计结果在反应动力学方面的合理性。
作者简介及课题组简介
本论文第一作者为硕士研究生向晟，通讯作者为刘奇磊博士。
刘奇磊目前为大连理工大学助理研究员。主要研究方向包括：利用量子化学与深度学习方法，开展分子构效关系预测、分子结构智能设计、分子逆合成规划等研究。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、中国博士后科学基金面上项目、医工交叉联合基金–中心医院项目。以第一作者及通讯作者在高水平期刊上发表高质量学术论文12篇，包括4篇AIChE Journal、2篇Chemical Engineering Science、1篇Industrial & Engineering Chemistry Research等，其中1篇AIChE Journal被连续两年评为Top Cited Article。参编4本国内外教材/专著、公开4项国内专利、获批5项软件著作权（1项已授权转化）。个人主页：http://faculty.dlut.edu.cn/liuqilei/zh_CN/index.htm
论文作者（向晟，刘奇磊，张磊，都健）均隶属于大连理工大学化工系统工程团队，团队负责人为都健教授。团队从事化工系统工程方向的研究，包括化工过程的模拟与优化、质（水）能集成、系统评价与算法开发，以及化工园区的节能减碳与循环经济；化工过程与产品设计；化工智能制造与过程控制；多流程/多系统综合以及热功耦合动力循环全局能量集成等。团队现有教授都健1人，副教授刘琳琳、张磊、董亚超、庄钰4人；其中博士生导师3人（都健、张磊、董亚超）、硕士生导师5人（都健、张磊、刘琳琳、董亚超、庄钰）。
文章信息
向晟,刘奇磊,张磊等.基于反应动力学的计算机辅助碳捕集有机胺溶剂设计[J/OL].清华大学学报(自然科学版):1-8[2023-12-25].https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.062.
期刊介绍
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《清华大学学报（自然科学版）》被多家国际性文献检索机构如Ei、CA、MR、РЖ、INSPEC、Zbl等及国内多家全国性文献检索机构如中文核心期刊要目总览、CSCD、CNKI 等收录。1999、2003年荣获第一、二届国家期刊奖，2005年荣获第三届国家期刊奖提名奖，2010、2013年荣获第二、三届中国出版政府奖期刊奖提名奖，2009年被评为“新中国60年有影响力的期刊”，2013、2015、2017年荣获全国百强科技期刊。