Naturgas kunne bygge bro mellem benzin og elektriske køretøjer takket være metal-organiske rammer

Da verden retter sin opmærksomhed mod elektriske køretøjer som erstatning for gasdrevne biler og lastbiler, vil nogle køretøjer såsom langdistancelastbiler og fly have brug for en bro mellem gas og elektrisk.

Naturgas kunne være et levedygtigt alternativ. Det er bredt tilgængeligt og brænder mere rent end benzin. Der er endda konverteringssæt allerede tilgængelige, så dine personbiler eller langdistancelastbiler kan køre på naturgas, siger Adam Matzger, professor i kemi ved University of Michigan.

"Naturgas er overalt, og det ses som en slags springbræt fra benzin til elektrisk eller brint," sagde han. "Det største problem med det er opbevaring. Omkostningerne er gode. Distributionen er god. Opbevaring er problemet."

Matzger, der studerer et materiale kaldet metal-organiske rammer (MOF'er), mente, at de kunne have et uudnyttet potentiale til at opbevare metan, den største komponent i naturgas.

MOF'er er stive, porøse strukturer sammensat af metaller forbundet med organiske ligander. Metan kan opbevares i en MOF gennem en proces kaldet adsorption. Ved adsorption klæber et stofs molekyler til overfladen af ​​et materiale, hvilket gør opbevaring ved lave tryk mulig.

Matzger arbejdede sammen med Alauddin Ahmed, assisterende forsker i maskinteknik ved U-M College of Engineering, for at scanne næsten en million MOF'er, der allerede er udviklet for at finde materialer, der kan have de rigtige egenskaber til at opbevare metan. De fandt to, der ikke tidligere var blevet testet, hvoraf den ene tilfældigvis var blevet skabt i Matzgers laboratorium. Deres resultater er offentliggjort i Angewandte Chemie , et tidsskrift fra German Chemical Society.

Problemet med naturgas er, at den skal opbevares under meget højt tryk, eller omkring 700 gange atmosfærisk tryk. Opbevaring af naturgas under denne form for tryk kræver specialiseret udstyr og en stor mængde energi.

"Der er en anden lille rynke, som er, hvis du rent faktisk skal bruge den i et køretøj, vil du ikke tage den fra højtrykket og bringe den ned til nul," sagde Matzger. "For når trykket bliver for lavt, kan du ikke betjene køretøjets motor. Så du skal faktisk se på brugbar kapacitet."

For at gøre metan anvendelig, var forskerne nødt til at finde ud af det bedste materiale, der både kunne opbevare metan ved et lavere tryk og cykle det op til det trykniveau, som køretøjets motor kræver. Det betød, at man skulle cykle mellem 80 gange atmosfærisk tryk til omkring fem gange atmosfærisk tryk.

"Ideen er ved at have en adsorbent i en tank, du kan opbevare mere metan ved lavere tryk, end du kunne uden absorbenten, fordi det hjælper med at hænge på metanen ved lavere tryk," sagde Matzger. "Så problemet kommer ned til at vælge en adsorbent, og det er her, teorien virkelig kom til undsætning."

Assisterende forsker Ahmed har specialiseret sig i at udvikle algoritmer til at forudsige egenskaber af kemiske forbindelser og nanoporøse materialer - materialer såsom MOF'er, der har evnen til at lagre molekyler - og bruge computerscreening til at identificere bestemte nanoporøse materialer. Han udviklede en metode til at screene en masterdatabase over de 1.000.000 MOF'er, som han kompilerede fra 21 forskellige databaser.

"Hvorfor dette materiale er vigtigt, er fordi fra et kemisynspunkt kan du designe et uendeligt antal af disse MOF'er," sagde Ahmed. "Så spørgsmålet er, hvis tallet er uendeligt, hvordan finder man så et godt materiale? Det er lidt ligesom at finde en nål i en høstak - faktisk er det sværere end som så."

Ahmed brugte to forskellige metoder til at screene for to forskellige klasser af MOF'er. En klasse af MOF'er har det, der kaldes et lukket metalsted. En anden anden klasse af MOF'er viste sig at have et åbent metalsted, men kun når forskerne regnede vandmolekyler fra strukturen af ​​disse MOF'er.

U-M-forskerne var i stand til at søge efter MOF'er med et åbent metalsted - mere indbydende til metanmolekyler - baseret på en algoritme udviklet af Don Siegel, professor i maskinteknik ved University of Texas.

"Tidligere, da forskere søgte efter MOF'er til at opbevare metan, adskilte de ikke disse to klasser af MOF'er," sagde Ahmed. "Fordelen ved vores modellering er, at vi har to separate modeller. Vi adskilte de forbindelser med lukkede metalsteder fra dem med åbne metalsteder, som har en større affinitet for disse metanmolekyler."

Holdet viste tre MOF'er, der ville fungere godt til at opbevare metan, hvoraf Matzgers laboratorium tilfældigvis havde udviklet. Postdoktor Karabi Nath var i stand til at syntetisere materialer med stort overfladeareal og fandt, at deres eksperimentelle metankapacitet matchede, hvad teorien havde forudsagt. MOF'erne – UTSA-76, UMCM-152 og DUT-23-Cu – fungerer godt, fordi de har mange små porer, der kan tiltrække gasmolekyler indeni.

Matzger forestiller sig en tank inde i en lastbil fyldt med disse MOF'er. I øjeblikket bruger biler og lastbiler, der er konverteret til at køre på naturgas, dyre tanke designet til at opbevare gas under 10.000 pund per kvadrattomme eller PSI. I stedet kunne chauffører bruge en tank med lavere tryk fyldt med UMCM-152 eller en af ​​de to andre identificerede MOF'er.

"Det, der adskiller denne undersøgelse, er, at vi sætter rekorden for metanopbevaring. Disse MOF'er er bedre end noget andet metanopbevaringsmateriale, der tidligere er identificeret, og så det hjælper os med at finde ud af, om vi nærmer os et praktisk system." sagde Matzger.

"Men det, der bare bliver ved med at få mig til at grine, er, at en af ​​de ideelle MOF'er lå lige for næsen på os, og vi vidste det ikke. Det var der, teorien uden tvivl satte os i den rigtige retning." + Udforsk yderligere

Nye materialer til opbevaring af brandfarlige industrigasser