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储气能力新突破!具有超高孔隙率的新材料诞生:1克可以铺满1.3个足球场

2020-04-20 21:11 前瞻网   

美国西北大学(Northwestern University)的一个研究小组已经设计并合成了具有超高孔隙率和表面积的新材料,用于存储燃料电池动力车辆常用的氢气和甲烷气体。这种材料是一种金属-有机框架化合物(Metal-organic frameworks,MOFs),与传统的吸附材料相比,可以在更安全的压力和更低的成本下存储更多的氢和甲烷。

储气能力新突破!具有超高孔隙率的新材料诞生:1克可以铺满1.3个足球场

氢气、甲烷这些气体是替代二氧化碳的清洁能源替代品,此前为了寻找最优化的存储与运输方法,科学家们已经开展过大量研究。

而如果要更生动形象地描述一下这种MOF材料在其中发挥的神奇之处,那么——得益于其纳米级的孔隙,一克这种材料的样本(体积约为6颗M&M巧克力豆),其表面积摊开可以足足覆盖1.3个足球场!

这项研究的负责人、西北大学国际纳米技术研究所成员奥马尔·法哈(Omar K. Farha)说:“我们已经为下一代清洁能源汽车开发了一种更好的氢和甲烷气体车载存储方法。”“为此,我们使用化学原理设计了具有精确原子排列的多孔材料,从而实现了超高孔隙率。”

吸附剂是将液体或气体分子结合到其表面的多孔固体。Farha还指出,这种新材料对于整个储气行业也可能是一个突破,因为许多行业和应用都需要使用压缩气体,例如氧气、氢气、甲烷等。

这项研究结合了实验和分子模拟,使用化学原理设计了具有精确原子排列的多孔材料,成果最终于4月17日发表在《科学》(Science)杂志上。

储气能力新突破!具有超高孔隙率的新材料诞生:1克可以铺满1.3个足球场

这种MOF超多孔材料展示了惊人的气体存储性能。它名为“NU-1501”,由有机分子和金属离子或簇构建而成,这些簇会自组装形成多维、高度结晶的多孔框架——你可以把它设想为一组Tinkertoy(和乐高一样的电路积木),其中金属离子或簇可以想象成圆形或方形的节点,而有机分子就像将节点连接在一起的杆。

研究人员们采用了6个有机连接体,与铁、铝、铬或钪的金属三聚体一起构建出NU-1500。其中,NU-1501-Al以0.66 gg-1的吸收量,一举超过了美国能源部的重量甲烷存储目标(0.5 gg-1)。在100 bar / 270 K下为[262 cm³(标准温度和压力,STP)cm-3],在270 K下为0.60 gg-1 [238 cm³(STP)cm-3]的5-100 bar的工作能力;它也显示出在温度和压力摆幅(77 K/100 bar→160 K/5 bar)组合下,几乎达到最佳的可输送氢容量(14.0重量%,46.2克升-1)。

目前,以氢气和甲烷为动力的车辆需要高压压缩才能运行。氢气罐的压力是汽车轮胎中压力的300倍。由于氢气的密度低,要达到该压力付出的代价非常昂贵,而且由于气体高度易燃,这样的方案也不安全。

开发可以在较低压力下将氢气和甲烷气体存储在车上的新型吸附剂材料,可以帮助科学家和工程师达到美国能源部的目标,即开发下一代清洁能源汽车。

为了实现这些目标,需要优化车载燃油箱的尺寸和重量。这项研究中的高孔隙率材料平衡了氢气和甲烷的体积(尺寸)和重量(质量)可传递容量,使研究人员更接近实现这些目标的一步。

“我们可以在MOF的孔中存储大量的氢和甲烷,并以比当前燃料电池汽车所需低得多的压力,将其输送至汽车的发动机。”

西北大学的研究人员构想了MOF的概念,并与科罗拉多矿业学院的计算建模人员合作,证实此类材料非常吸引人。然后,法哈(Farha)和他的团队设计,合成和表征了材料。他们还与美国国家标准技术研究院(NIST)的科学家合作进行了高压气体吸附实验。

这项研究得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室的支持(授予编号DE-EE0008816)。

参考来源:https://science.sciencemag.org/content/368/6488/297

https://www.greencarcongress.com/2020/04/20200417-numof.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200416151739.htm

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责任编辑: 3976DBC

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