Naarmate de wereld zijn aandacht richt op elektrische voertuigen als vervanging voor auto's en vrachtwagens op gas, zullen sommige voertuigen, zoals vrachtwagens voor lange afstanden en vliegtuigen, een brug nodig hebben tussen gas en elektrisch.

Aardgas zou een goed alternatief kunnen zijn. Het is overal verkrijgbaar en brandt schoner dan benzine. Er zijn zelfs al ombouwsets beschikbaar om uw personenauto's of langeafstandsvrachtwagens op aardgas te laten rijden, zegt Adam Matzger, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Michigan.

"Aardgas is overal en wordt gezien als een soort springplankbrandstof van benzine naar elektrisch of waterstof", zei hij. "Het grootste probleem ermee is de opslag. De kosten zijn goed. De distributie is goed. De opslag is het probleem."

Matzger, die een materiaal bestudeert dat metaal-organische raamwerken (MOF's) wordt genoemd, dacht dat ze mogelijk onbenut potentieel hebben om methaan op te slaan, het grootste bestanddeel van aardgas.

MOF's zijn stijve, poreuze structuren die zijn samengesteld uit metalen die zijn verbonden door organische liganden. Methaan kan in een MOF worden opgeslagen via een proces dat adsorptie wordt genoemd. Bij adsorptie hechten de moleculen van een stof zich aan het oppervlak van een materiaal, waardoor opslag bij lage druk mogelijk is.

Matzger werkte samen met Alauddin Ahmed, assistent-onderzoeker in werktuigbouwkunde aan het UM College of Engineering, om bijna een miljoen MOF's te scannen die al zijn ontwikkeld om materialen te vinden die mogelijk de juiste eigenschappen hebben om methaan op te slaan. Ze vonden er twee die niet eerder waren getest, waarvan er één toevallig in het laboratorium van Matzger was gemaakt. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Angewandte Chemie , een tijdschrift van de Duitse Chemische Vereniging.

Het probleem met aardgas is dat het onder zeer hoge druk moet worden opgeslagen, of ongeveer 700 keer de atmosferische druk. Het opslaan van aardgas onder dit soort druk vereist gespecialiseerde apparatuur en een grote hoeveelheid energie.

"Er is nog een kleine rimpel, namelijk dat als je het echt in een voertuig gaat gebruiken, je het niet van de hoge druk haalt en het naar nul brengt", zei Matzger. "Want als de druk te laag wordt, kun je de motor van het voertuig niet aansturen. Je moet dus echt kijken naar het bruikbare vermogen."

Om methaan bruikbaar te maken, moesten wetenschappers het beste materiaal vinden dat zowel methaan bij een lagere druk zou opslaan als het zou laten stijgen tot het drukniveau dat de motor van het voertuig nodig heeft. Dat betekende fietsen tussen 80 keer atmosferische druk en ongeveer vijf keer atmosferische druk.

"Het idee is dat door een adsorbens in een tank te hebben, je meer methaan kunt opslaan bij lagere drukken dan je zou kunnen zonder het absorberende middel, omdat het helpt om het methaan bij lagere drukken vast te houden," zei Matzger. "Dus dan komt het probleem neer op het kiezen van een adsorbens, en dit is waar de theorie echt te hulp kwam."

Assistent-onderzoeker Ahmed is gespecialiseerd in het ontwikkelen van algoritmen om eigenschappen van chemische verbindingen en nanoporeuze materialen te voorspellen - materialen zoals MOF's die moleculen kunnen opslaan - en in het gebruik van computerscreening om bepaalde nanoporeuze materialen te identificeren. Hij ontwikkelde een methode om een ​​masterdatabase te screenen van de 1.000.000 MOF's die hij uit 21 verschillende databases heeft samengesteld.

"Waarom dit materiaal belangrijk is, is omdat je vanuit scheikundig oogpunt een oneindig aantal van deze MOF's kunt ontwerpen," zei Ahmed. "Dus de vraag is, als het aantal oneindig is, hoe vind je dan een goed materiaal? Het is een soort speld in een hooiberg - eigenlijk is het moeilijker dan dat."

Ahmed gebruikte twee verschillende methoden om te screenen op twee verschillende klassen MOF's. Eén klasse MOF's heeft een zogenaamde gesloten metaalsite. Een andere andere klasse van MOF's bleek een open metaalsite te hebben, maar pas toen de onderzoekers watermoleculen uit de structuur van deze MOF's op een rekenkundige manier schrobden.

De UM-onderzoekers waren in staat om MOF's te zoeken met een open metalen site - meer uitnodigend voor methaanmoleculen - op basis van een algoritme dat is ontwikkeld door Don Siegel, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Texas.

"Voorheen, toen onderzoekers naar MOF's zochten om methaan op te slaan, scheidden ze deze twee klassen MOF's niet," zei Ahmed. "Het voordeel van onze modellering is dat we twee afzonderlijke modellen hebben. We hebben die verbindingen met gesloten metaalplaatsen gescheiden van die met open metaalplaatsen, die een grotere affiniteit hebben voor die methaanmoleculen."

Het team kwam met drie MOF's die goed zouden werken om methaan op te slaan, een daarvan had Matzger's laboratorium toevallig ontwikkeld. Postdoctoraal onderzoeker Karabi Nath was in staat om de materialen met een groot oppervlak te synthetiseren en ontdekte dat hun experimentele methaancapaciteiten overeenkwamen met wat de theorie had voorspeld. De MOF's - UTSA-76, UMCM-152 en DUT-23-Cu - werken goed omdat ze veel kleine poriën hebben die gasmoleculen naar binnen kunnen aantrekken.

Matzger stelt zich een tank voor in een vrachtwagen gevuld met deze MOF's. Momenteel gebruiken auto's en vrachtwagens die zijn omgebouwd om op aardgas te rijden dure tanks die zijn ontworpen om gas op te slaan onder de 10.000 pond per vierkante inch of PSI. In plaats daarvan kunnen chauffeurs een tank met lagere druk gebruiken die is gevuld met UMCM-152 of een van de twee andere geïdentificeerde MOF's.

"Wat deze studie onderscheidt, is dat we het record voor methaanopslag hebben neergezet. Deze MOF's zijn beter dan enig ander eerder geïdentificeerd methaanopslagmateriaal, en dat helpt ons om erachter te komen of we in de buurt komen van een praktisch systeem." zei Matzger.

"Maar wat me steeds aan het lachen maakt, is dat een van de ideale MOF's recht voor onze neus lag en we wisten het niet. Dat is waar de theorie ons ongetwijfeld in de goede richting heeft gestuurd." + Verder verkennen

Nieuwe materialen voor de opslag van brandbare industriële gassen