Lovande MOF identifierades beräkningsmässigt och demonstrerar experimentellt ett anmärkningsvärt metanupptag som överträffar kända riktmärken både volymetriskt och gravimetriskt. Avancerad uppsättning interatomära potentialer som uttryckligen står för närvaron av koordinativt omättade platser (CUS) i MOFs användes för att identifiera de högkapacitets MOFs som tidigare förbisetts på grund av begränsningen av de allmänna interatomära potentialerna. Kredit:Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI:10.1002/anie.202203575
När världen riktar sin uppmärksamhet mot elfordon som ersättning för gasdrivna bilar och lastbilar, kommer vissa fordon som långdistanslastbilar och flygplan att behöva en bro mellan gas och el.
Naturgas kan vara ett lönsamt alternativ. Det är allmänt tillgängligt och brinner renare än bensin. Det finns till och med ombyggnadssatser redan tillgängliga för att låta dina personbilar eller långdistanslastbilar köras på naturgas, säger Adam Matzger, professor i kemi vid University of Michigan.
"Naturgas finns överallt, och det ses som ett slags språngbräda bränsle från bensin till el eller väte," sa han. "Det största problemet med det är lagring. Kostnaden är bra. Distributionen är bra. Lagring är problemet."
Matzger, som studerar ett material som kallas metall-organiska ramverk (MOF), trodde att de kan ha outnyttjad potential att lagra metan, den största komponenten i naturgas.
MOF är stela, porösa strukturer som består av metaller sammanlänkade av organiska ligander. Metan kan lagras i en MOF genom en process som kallas adsorption. Vid adsorption fäster molekylerna av ett ämne vid ytan av ett material, vilket gör lagring vid låga tryck möjlig.
Matzger arbetade med Alauddin Ahmed, biträdande forskare inom maskinteknik vid U-M College of Engineering, för att skanna nästan en miljon MOF som redan har utvecklats för att hitta material som kan ha rätt egenskaper för att lagra metan. De hittade två som inte hade testats tidigare, varav den ena av en slump hade skapats i Matzgers labb. Deras resultat publiceras i Angewandte Chemie , en tidskrift från German Chemical Society.
Problemet med naturgas är att den måste lagras under mycket högt tryck, eller cirka 700 gånger atmosfärstrycket. Att lagra naturgas under denna typ av tryck kräver specialiserad utrustning och en stor mängd energi.
"Det finns en annan liten rynka, som är att om du faktiskt ska använda den i ett fordon, kommer du inte att ta den från högtrycket och få ner den till noll," sa Matzger. "För när trycket blir för lågt kan du inte köra fordonets motor. Så du måste faktiskt titta på användbar kapacitet."
För att göra metan användbar behövde forskare ta reda på det bästa materialet som både skulle lagra metan vid ett lägre tryck och cykla upp det till den nivå av tryck som krävs av fordonets motor. Det innebar att man cyklade mellan 80 gånger atmosfärstrycket till ungefär fem gånger atmosfärstrycket.
"Tanken är att genom att ha en adsorbent i en tank kan du lagra mer metan vid lägre tryck än vad du kunde utan absorbenten eftersom det hjälper till att hänga på metanet vid lägre tryck," sa Matzger. "Så då handlar problemet om att välja ett adsorbent, och det är här teorin verkligen kom till undsättning."
Assisterande forskare Ahmed är specialiserad på att utveckla algoritmer för att förutsäga egenskaper hos kemiska föreningar och nanoporösa material - material som MOF som har förmågan att lagra molekyler - och använda beräkningsscreening för att identifiera särskilda nanoporösa material. Han utvecklade en metod för att screena en huvuddatabas med de 1 000 000 MOF:er som han sammanställde från 21 olika databaser.
"Varför detta material är viktigt är för att du ur kemisynpunkt kan designa ett oändligt antal av dessa MOF," sa Ahmed. "Så frågan är, om siffran är oändlig, hur hittar du ett bra material? Det är ungefär som att hitta en nål i en höstack – det är faktiskt svårare än så."
Ahmed använde två olika metoder för att screena för två olika klasser av MOF. En klass av MOF har vad som kallas en stängd metallplats. En annan klass av MOF:er visade sig ha en öppen metallplats, men bara när forskarna beräkningsmässigt skrubbade vattenmolekyler från strukturen av dessa MOF.
UM-forskarna kunde söka efter MOF med en öppen metallplats – mer inbjudande för metanmolekyler – baserat på en algoritm utvecklad av Don Siegel, professor i maskinteknik vid University of Texas.
"Tidigare, när forskare sökte efter MOFs för att lagra metan, skilde de inte åt dessa två klasser av MOFs," sa Ahmed. "Fördelen med vår modellering är att vi har två separata modeller. Vi separerade de föreningar med slutna metallplatser från de med öppna metallplatser, som har en större affinitet för dessa metanmolekyler."
Teamet dök upp tre MOF som skulle fungera bra för att lagra metan, varav en av Matzgers labb hade utvecklats av en slump. Postdoktor Karabi Nath kunde syntetisera materialen med hög yta och fann att deras experimentella metankapacitet matchade vad teorin hade förutspått. MOF:erna – UTSA-76, UMCM-152 och DUT-23-Cu – fungerar bra eftersom de har många små porer som kan attrahera gasmolekyler inuti.
Matzger föreställer sig en tank inuti en lastbil fylld med dessa MOF. För närvarande använder bilar och lastbilar som konverterats för att köras på naturgas dyra tankar som är utformade för att lagra gas under 10 000 pund per kvadrattum, eller PSI. Istället kan förare använda en tank med lägre tryck fylld med UMCM-152 eller en av de två andra MOF som identifierats.
"Det som skiljer denna studie åt är att vi sätter rekordet för metanlagring. Dessa MOF är bättre än något annat metanlagringsmaterial som tidigare identifierats, och det hjälper oss att ta reda på om vi närmar oss ett praktiskt system." sa Matzger.
"Men det som bara fortsätter att få mig att skratta är att en av de idealiska MOF:erna var rakt under näsan på oss och vi visste det inte. Det var där teorin, utan tvekan, satte oss i rätt riktning." + Utforska vidare
