Een onderzoeksteam onder leiding van de Northwestern University heeft nieuwe materialen ontworpen en gesynthetiseerd met een ultrahoge porositeit en oppervlakte voor de opslag van waterstof en methaan voor brandstofcelaangedreven voertuigen. Deze gassen zijn aantrekkelijke alternatieven voor schone energie voor fossiele brandstoffen die koolstofdioxide produceren.

De designmaterialen, een soort metaal-organisch raamwerk (MOF), kan aanzienlijk meer waterstof en methaan opslaan dan conventionele adsorberende materialen bij een veel veiligere druk en tegen veel lagere kosten.

"We hebben een betere opslagmethode aan boord ontwikkeld voor waterstof en methaangas voor voertuigen van de volgende generatie met schone energie, " zei Omar K. Farha, die het onderzoek leidde. "Om dit te doen, we gebruikten chemische principes om poreuze materialen te ontwerpen met een nauwkeurige atomaire rangschikking, waardoor een ultrahoge porositeit wordt bereikt."

Adsorbentia zijn poreuze vaste stoffen die vloeibare of gasvormige moleculen aan hun oppervlak binden. Dankzij de nanoscopische poriën, een monster van één gram van het Noordwestelijke materiaal (met een volume van zes M&M's) heeft een oppervlakte van 1,3 voetbalvelden.

De nieuwe materialen kunnen ook een doorbraak betekenen voor de gasopslagindustrie in het algemeen, Farha zei, omdat veel industrieën en toepassingen het gebruik van samengeperste gassen zoals zuurstof, waterstof, methaan en anderen.

Farha is universitair hoofddocent scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences. Hij is ook lid van het Northwestern's International Institute for Nanotechnology.

De studie, combinatie van experiment en moleculaire simulatie, wordt op 17 april gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap .

Farha is de hoofd- en corresponderende auteur. Zhiji Chen, een postdoctoraal onderzoeker in Farha's groep, is co-eerste auteur. Penghao Li, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Sir Fraser Stoddart, Board of Trustees Professor of Chemistry bij Northwestern, is ook een co-eerste auteur. Stoddart is een auteur op het papier.

De ultraporeuze MOF's, genaamd NU-1501, zijn opgebouwd uit organische moleculen en metaalionen of clusters die zichzelf assembleren om multidimensionale, zeer kristallijn, poreuze raamwerken. Om de structuur van een MOF in beeld te brengen, Farha zei, stel je een set Tinkertoys voor waarin de metaalionen of clusters de ronde of vierkante knopen zijn en de organische moleculen de staafjes die de knopen bij elkaar houden.

Voertuigen die op waterstof en methaan rijden, hebben momenteel compressie onder hoge druk nodig om te kunnen werken. De druk van een waterstoftank is 300 keer groter dan de druk in autobanden. Vanwege de lage dichtheid van waterstof, het is duur om deze druk uit te voeren, en het kan ook onveilig zijn omdat het gas licht ontvlambaar is.

Het ontwikkelen van nieuwe adsorberende materialen die waterstof en methaangas aan boord van voertuigen bij veel lagere druk kunnen opslaan, kan wetenschappers en ingenieurs helpen de doelstellingen van het Amerikaanse ministerie van Energie te bereiken voor de ontwikkeling van de volgende generatie schone-energieauto's.

Om deze doelen te bereiken, zowel de grootte als het gewicht van de brandstoftank aan boord moeten worden geoptimaliseerd. De zeer poreuze materialen in deze studie balanceren zowel de volumetrische (grootte) als de gravimetrische (massa) leverbare capaciteiten van waterstof en methaan, onderzoekers een stap dichter bij het bereiken van deze doelen brengen.

"We kunnen enorme hoeveelheden waterstof en methaan opslaan in de poriën van de MOF's en deze afleveren aan de motor van het voertuig met een lagere druk dan nodig is voor de huidige brandstofcelvoertuigen. ' zei Farha.

De noordwestelijke onderzoekers bedachten het idee van hun MOF's en, in samenwerking met computationele modelbouwers van de Colorado School of Mines, bevestigde dat deze klasse van materialen zeer intrigerend is. Farha en zijn team ontwierpen toen, gesynthetiseerd en gekarakteriseerd de materialen. Ze werkten ook samen met wetenschappers van het National Institute for Standards and Technology (NIST) om experimenten met hogedrukgassorptie uit te voeren.

De titel van het artikel is "Balancing volumetrische en gravimetrische opname in zeer poreuze materialen voor schone energie."