Ionen verplaatsen om CO2 in brandstof om te zetten
Stel je voor: alle CO2 in de uitlaatgassen van auto's wordt opgevangen en hergebruikt om synthetische brandstof te produceren, met als uiteindelijk resultaat een netto CO2-uitstoot van nul. Dit is waar promovendus Eszter Mádai van de TU Delft-afdeling Materials Science & Engineering aan werkt. DelftBlue was onmisbaar voor haar werk aan tweedimensionale elektroden die helpen bij het hergebruik van CO2. Nu haar promotietraject bijna ten einde is, kijkt ze terug op haar ervaringen met de supercomputer.
Moeilijk te breken
Mádai: “Wat het hergebruiken van CO2 zo lastig maakt, is dat het een heel stabiel molecuul is. Het is moeilijk op te breken om er andere moleculen van te maken. Daarom moeten we elektrische energie toevoegen en een katalysator gebruiken. Alle mogelijke katalysatoren moeten worden getoetst aan criteria als kostenefficiëntie, milieuvriendelijkheid en beschikbaarheid. Zo kan koper heel gemakkelijk de bindingen in het CO2-molecuul verbreken, maar levert het zestien verschillende producten op, die dan weer gescheiden moeten worden.”
Ionen invoegen
Het materiaal dat Mádai uitkoos, is molybdeensulfide, dat bestaat uit opgestapelde tweedimensionale monolagen. “Omdat de reactie met CO2 plaatsvindt aan het oppervlak van het reactieve materiaal, hebben we een tweedimensionale materiaalstructuur nodig met een hoge oppervlakte/volumeverhouding.” Maar molybdeensulfide splitst ook de watermoleculen die de CO2-moleculen vergezellen, in waterstof en zuurstof. “Om de CO2-reductie te bevorderen, heb ik alkalimetaalionen tussen monolagen molybdeensulfide ingevoegd.” Dat is waar DelftBlue in beeld kwam.
Moleculaire dynamica-simulaties
Mádai gebruikte DelftBlue voor moleculaire dynamica-simulaties, waarbij ze een ion tussen de molybdeensulfidelagen verplaatste, en voor elke positie berekende hoe graag het ion zich daar bevindt. Uit de simulaties bleek dat een elektrisch veld cruciaal is om het ion in de juiste positie te krijgen. DelftBlue vond de optimale potentiaal voor het elektrochemisch invoegen van het ion. “De moleculaire dynamica-simulaties ondersteunden ons experimentele werk door een atomistisch plaatje te schetsen.”
Inleidende cursus
“DelftBlue gebruiken was een geweldige ervaring, omdat het zo krachtig is”, legt Mádai uit. “Als een van de eerste ‘reguliere’ gebruikers na de bètatests vond ik de introductiecursus bijzonder nuttig. De meerwaarde van de cursus is de persoonlijke interactie. Als je niet bekend bent met Unix-systemen, kan het lastig zijn om de Linux-taal te snappen die door DelftBlue wordt gebruikt. In de cursus leer je precies wat de verschillende commando’s zijn.”
Optimaliseren van de snelheid
“De cursus inspireerde me ook om nieuwe dingen uit te proberen. Ik heb bijvoorbeeld geleerd hoe je de snelheid van de simulatie of berekening kunt optimaliseren met het aantal computer-nodes. Op een gegeven moment maakt het namelijk niet meer uit hoeveel nodes je gebruikt; de simulatie wordt niet sneller meer. Dat was voor mij echt heel nuttig.”
Volg de cursus
Terugkijkend concludeert Mádai dat de simulaties een succes waren. “Ons oorspronkelijke idee was om ons te concentreren op experimenten op macroschaal, maar dankzij DelftBlue konden we veel gedetailleerder simuleren wat er gebeurt.” Op de vraag om advies te geven aan mensen die overwegen om DelftBlue te gaan gebruiken, antwoordt Mádai: “Volg de cursus. Echt, als je de supercomputer zomaar gaat gebruiken, weet je niet altijd hoe je hem efficiënt moet gebruiken.”
