Νέα ελπιδοφόρα μελέτη για την αποθήκευση μεθανίου στα αυτοκίνητα που κινούνται με φυσικό αέριο

Τα αυτοκίνητα που κινούνται με φυσικό αέριο διαφημίζονται ως αποτελεσματικά και φιλικά προς το περιβάλλον, αλλά δημιουργεί ένα πρακτικό εμπόδιο το ότι δεν μπορούν να έχουν στο σκάφος αρκετή ποσότητα αερίου. Μια νέα μελέτη των ερευνητών στο Πανεπιστήμιο RICE, υπόσχεται βοήθειες στον τομέα αυτό.

Αντί να στριμώξουν ογκώδεις δεξαμενές υψηλής πίεσης, όπως αυτές που χρησιμοποιούνται σε λεωφορεία και φορτηγά αυτοκίνητα, σε ελαφρά οχήματα, το Τμήμα Ενέργειας ενθαρρύνει τους ερευνητές να ψάξουν για νέα υλικά τα οποία μπορεί να αποθηκεύσουν συμπιεσμένο φυσικό αέριο (CNG- Compressed Natural Gas). Σε χαμηλή πίεση και σε θερμοκρασία δωματίου. Μεταξύ των υποψηφίων λύσεων, συμπεριλαμβάνονται και συνθετικά μακρομόρια που λειτουργούν σαν κλουβιά και ονομάζονται μεταλλικά οργανικά πλαίσια (MOFs- Metal Organic Frameworks).

Τα MOFs είναι ενώσεις ιόντων μετάλλων σε επίπεδο nano-κλίμακας, ή συμπλέγματα γνωστά ως δευτερεύουσες δομικές μονάδες (SBUs- Secondary Building Units) και συνδετικά οργανικά μόρια ή συνδετήρες. Αυτοί κρατούν τις SBUs μαζί σε ένα σπογγώδες δίκτυο που μπορεί να προσλάβει και να αποθηκεύσει μόρια μεθανίου σε ένα δοχείο υπό πίεση. Καθώς η πίεση μειώνεται το δίκτυο απελευθερώνει το μεθάνιο για χρήση.

Μια δυσκολία για τη σύνθεση μια τέτοιας δομής ώστε να γίνει ο έλεγχος της υπόθεσης, αποτελεί η ύπαρξη δεκάδων χιλιάδων τέτοιων πλαισίων MOFs. Για αυτό και οι ερευνητές έχουν στραφεί στην χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών για να μοντελοποιήσουν τα υποψήφια πλαίσια με τις σωστές ιδιότητες.

Μια ομάδα με επικεφαλής τον βιο-μηχανικό Michael Deem, στο Πανεπιστήμιο Rice, πήγε ένα βήμα παραπέρα: χρησιμοποίησαν ένα προσαρμοσμένο αλγόριθμο όχι μόνο για να σχεδιάσουν γρήγορα νέες διαμορφώσεις των MOF, ικανές να αποθηκεύουν συμπιεσμένο φυσικό αέριο με υψηλή «παραδοτέα ικανότητα», αλλά να μπορούν τα πλαίσια αυτά να συντεθούν αξιόπιστα από εμπορικά πρόδρομα μόρια. Εδώ υπάρχει ένα ισχυρό μπόνους: Ο αλγόριθμος επίσης παρακολουθεί τις διαδρομές προς τη σύνθεση.

Ο Deem και οι συνεργάτες του στο Rice, το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence του Berkeley και Πανεπιστημίου Berkeley της Καλιφόρνιας, δημοσιεύουν τη μελέτη τους στο περιοδικό της American Chemical Society, Journal of Physical Chemistry C.

Τα (πλαίσια) MOF εμφανίζουν μια δυναμική για εφαρμογές όπως η χορήγηση φαρμάκων κ.ά., όμως στη λίστα των επιθυμιών του Τμήματος Ενέργειας, όπως ομολογεί ο Deem, βρίσκεται η αποθήκευση και η μεταφορά του μεθανίου. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης των MOFs ως μέσω αποθήκευσης είναι πολλά και αρχίζουν με την αυξημένη χωρητικότητα των κυλίνδρων υψηλής πίεσης που χρησιμοποιούνται. Η μελέτη του Rice βρήκε 48 MOFs που είναι τα καλύτερα διαθέσιμα προς το παρόν, με μια σύνθεση που ονομάζεται MOF-5 με περισσότερο από 8%.

Το πρόγραμμα τηρεί τις τυπικές συνθήκες του Τμήματος Ενέργειας πως ένα ιδανικό MOF θα πρέπει να αποθηκεύει μεθάνιο στα 65 bar η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας είναι 1 bar) και το απελευθερώνει στα 5,8 bar στους 298 βαθμούς Kelvin (24,85 βαθμοί Κελσίου). Η πίεση αυτή είναι σημαντικά μικρότερη από ότι είναι η τυπική στα δοχεία CNG και η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλότερη από αυτή των δεξαμενών υγρού φυσικού αερίου που πρέπει να ψύχονται στους -127 περίπου βαθμούς Κελσίου.

Χαμηλότερες πιέσεις σημαίνουν δεξαμενές αποθήκευσης μπορεί να είναι ελαφρύτερες και μπορούν να εγκατασταθούν καλύτερα στα αυτοκίνητα, όπως μπορούν ευκολότερα να χρησιμοποιηθούν από τους καταναλωτές στα νοικοκυριά που χρησιμοποιούν φυσικό αέριο. Οι ερευνητές ελπίζουν να ξεκινήσουν τη δοκιμή των καλύτερων μοντέλων MOF και στον πραγματικό κόσμο.

Στις εικόνες παρουσιάζονται: Παραδείγματα οργανικών μεταλλικών πλαισίων (MOFs), τα οποία μπορεί να είναι κατάλληλα για την αποθήκευση φυσικού αερίου, που ανακαλύφθηκαν μέσω ενός αλγορίθμου που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο Rice.

Περισσότερα: Journal of Physical Chemistry C. pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp5123486