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储气能力新突破!具有超高孔隙率的新材料诞生

美国西北大年夜学(Northwestern University)的一个钻研小组已经设计并合成了具有超高孔隙率和外面积的新材料,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),与传统的吸附材料比拟,可以在更安然的压力和更低的资源下存储更多的氢和甲烷。

氢气、甲烷这些气体是替代二氧化碳的洁净能源替代品,此前为了探求最优化的存储与运输措施,科学家们已经开展过大年夜量钻研。

而假如要更活跃形象地描述一下这种MOF材料在此中发挥的神奇之处,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),其外面积放开可以足足覆盖1.3个足球场!

这项钻研的认真人、西北大年夜学国际纳米技巧钻研所成员奥马尔·法哈(Omar K. Farha)说:“我们已经为下一代洁净能源汽车开拓了一种更好的氢和甲烷气体车载存储措施。”“为此,我们应用化学道理设计了具有正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外面的多孔固体。Farha还指出,这种新材料对付全部储气行业也可能是一个冲破,由于许多行业和利用都必要应用压缩气体,例如氧气、氢气、甲烷等。

这项钻研结合了实验和分子模拟,应用化学道理设计了具有正确原子排列的多孔材料,成果终极于4月17日颁发在《科学》(Science)杂志上。

这种MOF超多孔材料展示了惊人的气体存储机能。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),此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路的杆。

钻研职员们采纳了6个有机连接体,与铁、铝、铬或钪的金属三聚体一路构建出NU-1500。此中,NU-1501-Al以0.66 gg-1的接受量,一举跨越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的事情能力;它也显示出在温度和压力摆幅(77 K/100 bar→160 K/5 bar)组合下,险些达到最佳的可运送氢容量(14.0重量%,46.2克升-1)。

今朝,以氢气和甲烷为动力的车辆必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。因为氢气的密度低,要达到该压力付出的价值异常昂贵,而且因为气体高度易燃,这样的规划也不安然。

开拓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,可以赞助科学家和工程师达到美国能源部的目标,即开拓下一代洁净能源汽车。

为了实现这些目标,必要优化车载燃油箱的尺寸和重量。这项钻研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)可通报容量,使钻研职员更靠近实现这些目标的一步。

“我们可以在MOF的孔中存储大年夜量的氢和甲烷,并以比当前燃料电池汽车所需低得多的压力,将其运送至汽车的发念头。”

西北大年夜学的钻研职员构想了MOF的观点,并与科罗拉多矿业学院的谋略建模职员相助,证明此类材料异常吸惹人。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巧钻研院(NIST)的科学家相助进行了高压气体吸附实验。

这项钻研获得了美国能源部能源效率和可再生能源办公室的支持(赋予编号DE-EE0008816)。

参考滥觞: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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