Gaslagringsmetode kan hjælpe næste generation af ren energikøretøjer

Et forskerhold ledet af Northwestern University har designet og syntetiseret nye materialer med ultrahøj porøsitet og overfladeareal til opbevaring af brint og metan til brændselscelledrevne køretøjer. Disse gasser er attraktive ren energi alternativer til kuldioxid-producerende fossile brændstoffer.

Designermaterialerne, en type metal-organisk ramme (MOF), kan lagre betydeligt mere brint og metan end konventionelle adsorberende materialer ved meget sikrere tryk og til meget lavere omkostninger.

"Vi har udviklet en bedre indbygget opbevaringsmetode for brint og metangas til næste generation af ren energikøretøjer, " sagde Omar K. Farha, der ledede forskningen. "At gøre dette, vi brugte kemiske principper til at designe porøse materialer med præcist atomarrangement, derved opnås ultrahøj porøsitet."

Adsorbenter er porøse faste stoffer, som binder flydende eller gasformige molekyler til deres overflade. Takket være dens nanoskopiske porer, en prøve på et gram af Northwestern-materialet (med et volumen på seks M&M'er) har et overfladeareal, der ville dække 1,3 fodboldbaner.

De nye materialer kan også være et gennembrud for gaslagringsindustrien som helhed, Farha sagde, fordi mange industrier og applikationer kræver brug af komprimerede gasser såsom oxygen, brint, metan og andre.

Farha er lektor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences. Han er også medlem af Northwesterns International Institute for Nanotechnology.

Studiet, kombinerer eksperiment og molekylær simulering, udkommer den 17. april af tidsskriftet Videnskab .

Farha er hovedforfatter og korresponderende forfatter. Zhijie Chen, en postdoc i Farhas gruppe, er medførsteforfatter. Penghao Li, en postdoc i laboratoriet hos Sir Fraser Stoddart, Bestyrelsesprofessor i kemi ved Northwestern, er også medforfatter. Stoddart er forfatter på papiret.

De ultraporøse MOF'er, navngivet NU-1501, er bygget af organiske molekyler og metalioner eller klynger, som samles selv for at danne multidimensionelle, meget krystallinsk, porøse rammer. For at se strukturen af ​​en MOF, Farha sagde, forestille sig et sæt Tinkertoys, hvor metalionerne eller klyngerne er de cirkulære eller firkantede knuder, og de organiske molekyler er stængerne, der holder knudepunkterne sammen.

Brint- og metandrevne køretøjer kræver i øjeblikket højtrykskompression for at fungere. Trykket i en brinttank er 300 gange større end trykket i bildæk. På grund af brints lave densitet, det er dyrt at udføre dette pres, og det kan også være usikkert, fordi gassen er meget brandfarlig.

Udvikling af nye adsorberende materialer, der kan opbevare brint og metangas ombord på køretøjer ved meget lavere tryk, kan hjælpe forskere og ingeniører med at nå US Department of Energy's mål for udvikling af næste generation af renenergibiler.

For at nå disse mål, både størrelsen og vægten af ​​den indbyggede brændstoftank skal optimeres. De meget porøse materialer i denne undersøgelse balancerer både den volumetriske (størrelse) og gravimetriske (masse) leverbare kapacitet af brint og metan, at bringe forskere et skridt tættere på at nå disse mål.

"Vi kan opbevare enorme mængder brint og metan i porerne i MOF'erne og levere dem til køretøjets motor ved lavere tryk end nødvendigt for nuværende brændselscellekøretøjer, " sagde Farha.

De nordvestlige forskere udtænkte ideen om deres MOF'er og, i samarbejde med beregningsmodeller ved Colorado School of Mines, bekræftet, at denne klasse af materialer er meget spændende. Farha og hans team designede derefter, syntetiserede og karakteriserede materialerne. De samarbejdede også med forskere ved National Institute for Standards and Technology (NIST) for at udføre højtryksgassorptionseksperimenter.

Artiklens titel er "Balancering af volumetrisk og gravimetrisk optagelse i meget porøse materialer til ren energi."