Esponja programable altamente porosa para almacenamiento de energía limpia. Crédito:Universidad Northwestern
Un equipo de investigación dirigido por la Northwestern University ha diseñado y sintetizado nuevos materiales con una porosidad y un área de superficie ultraaltas para el almacenamiento de hidrógeno y metano para vehículos impulsados por celdas de combustible. Estos gases son alternativas atractivas de energía limpia a los combustibles fósiles que producen dióxido de carbono.
Los materiales del diseñador, un tipo de estructura organometálica (MOF), puede almacenar significativamente más hidrógeno y metano que los materiales adsorbentes convencionales a presiones mucho más seguras y a costos mucho más bajos.
"Hemos desarrollado un mejor método de almacenamiento a bordo de hidrógeno y gas metano para vehículos de energía limpia de próxima generación, "dijo Omar K. Farha, quien dirigió la investigación. "Para hacer esto, utilizamos principios químicos para diseñar materiales porosos con una disposición atómica precisa, logrando así una porosidad ultra alta ".
Los adsorbentes son sólidos porosos que unen moléculas líquidas o gaseosas a su superficie. Gracias a sus poros nanoscópicos, una muestra de un gramo del material del noroeste (con un volumen de seis M &M) tiene una superficie que cubriría 1,3 campos de fútbol.
Los nuevos materiales también podrían ser un gran avance para la industria del almacenamiento de gas en general, Farha dijo, porque muchas industrias y aplicaciones requieren el uso de gases comprimidos como el oxígeno, hidrógeno, metano y otros.
Farha es profesora asociada de química en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg. También es miembro del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern.
El estudio, combinando experimento y simulación molecular, será publicado el 17 de abril por la revista Ciencias .
Un material altamente poroso que equilibra las prestaciones de almacenamiento gravimétrico y volumétrico. Crédito:Timur Islamoglu y Zhijie Chen
Farha es la autora principal y correspondiente. Zhijie Chen, un becario postdoctoral en el grupo de Farha, es co-primer autor. Penghao Li, becario postdoctoral en el laboratorio de Sir Fraser Stoddart, Profesor de la Junta de Fideicomisarios de Química en Northwestern, también es co-primer autor. Stoddart es un autor del artículo.
Los MOF ultraporosos, llamado NU-1501, se construyen a partir de moléculas orgánicas e iones metálicos o grupos que se autoensamblan para formar multidimensionales, altamente cristalino, armazones porosos. Para imaginar la estructura de un MOF, Farha dijo, Imagine un conjunto de Tinkertoys en el que los iones o grupos metálicos son los nodos circulares o cuadrados y las moléculas orgánicas son las varillas que mantienen unidos los nodos.
Los vehículos propulsados por hidrógeno y metano actualmente requieren una compresión de alta presión para funcionar. La presión de un tanque de hidrógeno es 300 veces mayor que la presión de los neumáticos de un automóvil. Debido a la baja densidad del hidrógeno, es caro cumplir con esta presión, y también puede ser peligroso porque el gas es altamente inflamable.
El desarrollo de nuevos materiales adsorbentes que puedan almacenar hidrógeno y gas metano a bordo de vehículos a presiones mucho más bajas puede ayudar a los científicos e ingenieros a alcanzar los objetivos del Departamento de Energía de EE. UU. Para desarrollar la próxima generación de automóviles de energía limpia.
Para alcanzar estos objetivos, Es necesario optimizar tanto el tamaño como el peso del depósito de combustible a bordo. Los materiales altamente porosos de este estudio equilibran las capacidades de entrega volumétrica (tamaño) y gravimétrica (masa) de hidrógeno y metano, acercar a los investigadores un paso más hacia la consecución de estos objetivos.
"Podemos almacenar enormes cantidades de hidrógeno y metano dentro de los poros de los MOF y entregarlos al motor del vehículo a presiones más bajas que las necesarias para los vehículos de pila de combustible actuales". "Dijo Farha.
Los investigadores de Northwestern concibieron la idea de sus MOF y, en colaboración con modeladores computacionales de la Escuela de Minas de Colorado, confirmó que esta clase de materiales es muy intrigante. Farha y su equipo luego diseñaron, sintetizado y caracterizado los materiales. También colaboraron con científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) para realizar experimentos de sorción de gas a alta presión.
El título del artículo es "Equilibrio de la absorción volumétrica y gravimétrica en materiales altamente porosos para obtener energía limpia".
