Undersøgelse af en termisk udfordring for MOF'er

For det blotte øje, metal organiske rammer (MOF'er) ligner lidt sand. Men hvis du zoomer ind, du vil se, at hvert korn ser ud og virker mere som en svamp – og tjener et lignende formål. MOF'er bruges til at absorbere og holde gasser, hvilket er nyttigt, når man forsøger at filtrere giftige gasser ud af luften eller som en måde at opbevare brændstof på til naturgas- eller brintgasdrevne motorer.

Ny forskning ledet af et tværfagligt team på tværs af seks universiteter undersøger varmeoverførsel i MOF'er og den rolle, det spiller, når MOF'er bruges til at opbevare brændstof. Den korresponderende forfatter Christopher Wilmer, William Kepler Whiteford Faculty Fellow og assisterende professor i kemi- og petroleumsteknik ved University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, var medforfatter til arbejdet med forskere ved Carnegie Mellon University, University of Virginia, Old Dominion University, Northwestern University, og Karlsruhe Institute of Technology i Karlsruhe, Tyskland. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Naturkommunikation .

"En af udfordringerne ved at bruge MOF'er til brændstoftanke i biler er, at du skal kunne fylde op på få minutter eller mindre, " forklarer Wilmer. "Desværre, når du hurtigt fylder disse MOF-baserede tanke med brint eller naturgas, bliver de meget varme. Det er ikke så meget en eksplosionsrisiko - selvom der er en - men det faktum, at de ikke kan opbevare meget gas, når de er varme. Hele forudsætningen for at bruge dem til at opbevare en masse gasformigt brændstof fungerer kun ved stuetemperatur. For andre industrielle applikationer står du over for et lignende problem - når gasser påfyldes hurtigt, bliver MOF'erne varme og fungerer ikke længere effektivt."

Med andre ord, for at MOF'er kan være nyttige til disse applikationer, de skal opbevares køligt. Denne forskning så på termisk transport i MOF'er, at undersøge, hvor hurtigt de kan afgive overskydende varme, og gruppen fandt nogle overraskende resultater.

"Når du tager disse porøse materialer, som til at begynde med er termisk isolerende, og du fylder dem med gas, det ser ud til, at de bliver endnu mere isolerende. Dette er overraskende, fordi normalt, tomme lommer som dem i isolering eller dobbeltrude vinduer giver god varmeisolering, " forklarer Wilmer. "Ved at tage porøse materialer og fylde dem, derved fjerne disse huller, du ville forvente, at den termiske transport forbedres, gør det mere termisk ledende. Det modsatte sker; de bliver mere isolerende."

For at nå deres konklusion, forskere udførte to simultane eksperimenter ved hjælp af to forskellige metoder og MOF'er syntetiseret i to forskellige laboratorier. Begge grupper observerede den samme tendens:at MOF'erne bliver mere isolerede, når de er fyldt med adsorbater. Deres eksperimentelle resultater blev også valideret af atomistiske simuleringer på Pitt i samarbejde med Carnegie Mellon University.

"Vores arbejde indikerer potentielle udfordringer forude for brugen af ​​MOF'er uden for forskningslaboratorier, men det er et nødvendigt skridt i processen, " siger Alan McGaughey, professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon. "Efterhånden som disse materialer udvikler sig mod brede, brug i den virkelige verden, forskere bliver nødt til at fortsætte med at undersøge engang oversete egenskaber af disse materialer, som termisk transport, og finde den bedste måde at bruge dem på, så de passer til vores behov."