Omställningen till ren energi kräver nya sätt att transportera energi som är mindre beroende av förbränning av fossila bränslen. Detta kräver nya material som kan katalysera reaktioner för att lagra och utvinna energi från kemiska energibärare utan förbränning.
En lovande grupp material för att skapa dessa katalysatorer är metallorganiska ramverk (MOF), molekylära strukturer gjorda av metalljoner och organiska bindemedel.
Forskare och ingenjörer vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) och kemiska institutionen har utvecklat ett nytt beräkningsverktyg som förutsäger vilka MOF som kommer att vara mest stabila för ett givet behov.
Verktyget, som skapats av doktoranden Jianming Mao och professor Andrew Ferguson, förutsåg en ny järn-svavel-MOF som sedan syntetiserades av postdoktoranden Ningxin Jiang och professor John Anderson och karakteriserades av forskare vid Stony Brook University.
Arbetet, som utfördes vid UChicagos Catalyst Design for Decarbonization Center under ledning av professor Laura Gagliardi, kan bidra till energiomställningen mot ett koldioxidfritt samhälle. Resultaten publicerades i Journal of the American Chemical Society.
”Att ta fram nya katalysatormaterial som kan bidra till att minska koldioxidutsläppen i ekonomin är en viktig prioritering för vårt centrum, och vi har visat att det är möjligt genom ett tvärvetenskapligt forskningssamarbete som förenar forskare och ingenjörer inom beräkningsteknik och experimentell forskning”, säger Ferguson.
Skapa termodynamiskt stabila material
Eftersom MOF är porösa och mycket lättanpassade är de utmärkta kandidater för katalys, energilagring och sensorer. Men det är inte lätt att designa och syntetisera MOF. Mer än 500 000 MOF har förutsagts av beräkningsverktyg, men endast en bråkdel av dessa har syntetiserats framgångsrikt.
”Vissa MOF är stabilare än andra, och även om man kommer fram till vilken design som är bra, kanske den inte fungerar när man försöker skapa den i laboratoriet”, säger Mao.
För att ändra på detta har Ferguson och hans team skapat en datorbaserad screeningprocess som kan koppla stabilitetsprognoser till kandidatdesign för MOF. Beräkningarna görs med hjälp av en teknik som kallas termodynamisk integration, där forskarna omvandlar MOF till ett enklare system med känd termodynamisk stabilitet på datorn. Genom att mäta det arbete som utförs längs denna väg är det möjligt att beräkna stabiliteten hos den ursprungliga MOF.
”Denna teknik är allmänt känd som ’beräkningsalkemi’ eftersom den utför en kemisk omvandling av ett kemiskt system till ett annat, på samma sätt som de gamla alkemisterna försökte omvandla bly till guld”, säger Ferguson.
”Det låter fantastiskt, men metoden bygger på sund matematisk och statistisk mekanisk teori och är en hörnsten i beräkningskemi som används flitigt inom beräkningsbaserad läkemedelsdesign.”
Eftersom dessa material styrs av kvantmekanik är det extremt beräkningskrävande och omöjligt att utföra kvantmekaniska beräkningar för varje potentiell förening. Det skulle kräva århundraden av beräkningstid.
Därför använde teamet klassiska fysikaliska approximationer av kvantmekaniken för hur atomerna skulle interagera. Det minskade beräkningstiden till en dag.
”Det var inte klart om de klassiska mekaniska approximationerna skulle vara tillräckligt exakta för att fungera”, säger Ferguson. ”Det var lite av ett vågspel för oss. Lyckligtvis fungerade det, och de var tillräckligt exakta.”
För att säkerställa att deras metod fungerade visade teamet att screeningprocessen kunde retroaktivt förutsäga MOF:er som tidigare hade rapporterats och som stämde överens med kvantmekaniska beräkningar på ett litet antal system utförda av Andrea Darù, en postdoktorand i professor Laura Gagliardis laboratorium.
Verktyget kan användas för att förutsäga andra nya material
Screeningprocessen ledde slutligen till att ett nytt järn-svavel-MOF, känt som Fe4S4-BDT-TPP, förutsågs vara stabilt och syntetiserbart.
MOF syntetiserades i Andersons laboratorium och karakteriserades sedan genom pulverröntgendiffraktion av Karena Chapman och hennes team vid Stony Brook University och Brookhaven National Laboratory samt Alex Filatov, chef för röntgenforskningsanläggningen vid UChicago. Det visade sig vara termodynamiskt stabilt och ha den struktur som förutsagts av beräkningsmodellerna.
”Denna modell är ett steg i rätt riktning för att kunna förutsäga material istället för att försöka syntetisera dem och ta reda på vad de är”, säger Anderson. ”Det påskyndar upptäcktsprocessen avsevärt.”
Nästa steg är att fortsätta syntetisera denna nya MOF och studera den för att se hur väl den fungerar som katalysator.
Under tiden har Ferguson och Mao gjort sin virtuella screeningpipeline tillgänglig för allmänheten för att hjälpa andra forskarteam att upptäcka stabila MOF. ”Detta verktyg kommer att göra det möjligt för forskare att screena ett stort antal kemiska föreningar för att hitta den som passar deras behov”, säger han.
Andra författare till artikeln är Jianming Mao, Ningxin Jiang, Alexander S. Filatov, Jessica E. Burch, Jan Hofmann, Simon M. Vornholt och Karena W. Chapman.
Mer information: Jianming Mao et al, Structure and Synthesizability of Iron–Sulfur Metal–Organic Frameworks, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.4c16341
