Ett forskargrupp under ledning av Northwestern University har designat och syntetiserat nya material med ultrahög porositet och ytarea för lagring av väte och metan för bränslecellsdrivna fordon. Dessa gaser är attraktiva alternativ för ren energi till koldioxidproducerande fossila bränslen.

Designmaterialen, en typ av ett metallorganiskt ramverk (MOF), kan lagra betydligt mer väte och metan än konventionella adsorberande material vid mycket säkrare tryck och till mycket lägre kostnader.

"Vi har utvecklat en bättre lagringsmetod ombord för väte och metangas för nästa generations rena energibilar, "sa Omar K. Farha, som ledde forskningen. "Att göra detta, vi använde kemiska principer för att designa porösa material med exakt atomarrangemang, och därmed uppnå ultrahög porositet. "

Adsorbenter är porösa fasta ämnen som binder flytande eller gasformiga molekyler till deras yta. Tack vare dess nanoskopiska porer, ett prov på ett gram av det nordvästra materialet (med en volym på sex M &M) har en yta som täcker 1,3 fotbollsplaner.

De nya materialen kan också vara ett genombrott för gaslagringsindustrin i stort, Farha sa, eftersom många industrier och applikationer kräver användning av komprimerade gaser som syre, väte, metan och andra.

Farha är docent i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences. Han är också medlem i Northwestern International Institute for Nanotechnology.

Studien, kombinerar experiment och molekylär simulering, kommer att publiceras den 17 april av tidskriften Vetenskap .

Farha är ledare och motsvarande författare. Zhijie Chen, en postdoktor i Farhas grupp, är förste författare. Penghao Li, en postdoktor i laboratoriet av Sir Fraser Stoddart, Förvaltningsrådets professor i kemi vid Northwestern, är också en första författare. Stoddart är en författare på tidningen.

De ultraporösa MOF:erna, namnet NU-1501, är byggda av organiska molekyler och metalljoner eller kluster som självmonteras för att bilda flerdimensionella, mycket kristallint, porösa ramar. För att föreställa strukturen på en MOF, Farha sa, tänka sig en uppsättning Tinkertoys där metalljonerna eller klustren är de cirkulära eller fyrkantiga noderna och de organiska molekylerna är stavarna som håller ihop noderna.

Väte- och metandrivna fordon kräver för närvarande högtryckskomprimering för att fungera. Trycket i en vätgastank är 300 gånger högre än trycket i bildäck. På grund av vätgas låga densitet, det är dyrt att uppnå detta tryck, och det kan också vara osäkert eftersom gasen är mycket brandfarlig.

Att utveckla nya adsorberande material som kan lagra väte och metangas ombord på fordon vid mycket lägre tryck kan hjälpa forskare och ingenjörer att nå USA:s energiministeriets mål för att utveckla nästa generation rena bilar.

För att nå dessa mål, både storleken och vikten på den inbyggda bränsletanken måste optimeras. De mycket porösa materialen i denna studie balanserar både den volymetriska (storlek) och gravimetriska (massa) levererbara kapaciteten för väte och metan, ta forskare ett steg närmare att nå dessa mål.

"Vi kan lagra enorma mängder väte och metan i MOF:s porer och leverera dem till fordonets motor vid lägre tryck än vad som behövs för nuvarande bränslecellfordon, Sa Farha.

De nordvästra forskarna uppfattade idén om sina MOF och i samarbete med beräkningsmodeller vid Colorado School of Mines, bekräftade att denna materialklass är mycket spännande. Farha och hans team designade sedan, syntetiserade och karakteriserade materialen. De samarbetade också med forskare vid National Institute for Standards and Technology (NIST) för att genomföra högtrycksgassorptionsexperiment.

Papperets titel är "Balansera volymetrisk och gravimetrisk upptagning i mycket porösa material för ren energi."