A medida que el mundo dirige su atención a los vehículos eléctricos como reemplazo de los automóviles y camiones que funcionan con gasolina, algunos vehículos, como los camiones y aviones de larga distancia, necesitarán un puente entre el gas y la electricidad.

El gas natural podría ser una alternativa viable. Está ampliamente disponible y se quema más limpiamente que la gasolina. Incluso hay kits de conversión ya disponibles para permitir que sus automóviles de pasajeros o camiones de larga distancia funcionen con gas natural, dice Adam Matzger, profesor de química en la Universidad de Michigan.

“El gas natural está en todas partes, y es visto como una especie de combustible de trampolín de la gasolina a la electricidad o al hidrógeno”, dijo. "El principal problema es el almacenamiento. El costo es bueno. La distribución es buena. El almacenamiento es el problema".

Matzger, que estudia un material llamado estructuras metalorgánicas (MOF), pensó que podrían tener un potencial sin explotar para almacenar metano, el componente más grande del gas natural.

Los MOF son estructuras rígidas y porosas compuestas de metales unidos por ligandos orgánicos. El metano se puede almacenar dentro de un MOF a través de un proceso llamado adsorción. En la adsorción, las moléculas de una sustancia se adhieren a la superficie de un material haciendo posible el almacenamiento a bajas presiones.

Matzger trabajó con Alauddin Ahmed, científico investigador asistente en ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería de la U-M, para escanear casi un millón de MOF que ya se han desarrollado para encontrar materiales que puedan tener las características adecuadas para almacenar metano. Encontraron dos que no habían sido probados previamente, uno de los cuales había sido creado coincidentemente en el laboratorio de Matzger. Sus resultados se publican en Angewandte Chemie , una revista de la Sociedad Química Alemana.

El problema con el gas natural es que debe almacenarse a una presión muy alta, unas 700 veces la presión atmosférica. Almacenar gas natural bajo este tipo de presión requiere equipo especializado y una gran cantidad de energía.

"Hay otro pequeño inconveniente, que es que si realmente lo vas a usar en un vehículo, no vas a tomarlo de la alta presión y reducirlo a cero", dijo Matzger. "Porque cuando la presión es demasiado baja, no se puede hacer funcionar el motor del vehículo. Por lo tanto, en realidad debe observar la capacidad utilizable".

Para hacer que el metano fuera utilizable, los científicos necesitaban encontrar el mejor material que almacenara el metano a una presión más baja y lo subiera al nivel de presión que necesita el motor del vehículo. Eso significó un ciclo entre 80 veces la presión atmosférica y aproximadamente cinco veces la presión atmosférica.

"La idea es tener un adsorbente en un tanque, puede almacenar más metano a presiones más bajas de lo que podría sin el absorbente porque ayuda a retener el metano a presiones más bajas", dijo Matzger. "Entonces, el problema se reduce a elegir un adsorbente, y aquí es donde la teoría realmente vino al rescate".

El científico investigador asistente Ahmed se especializa en el desarrollo de algoritmos para predecir las propiedades de los compuestos químicos y los materiales nanoporosos, materiales como los MOF que tienen la capacidad de almacenar moléculas, y en el uso de la detección computacional para identificar materiales nanoporosos particulares. Desarrolló un método para filtrar una base de datos maestra de los 1 000 000 de MOF que compiló a partir de 21 bases de datos diferentes.

"La importancia de este material se debe a que, desde el punto de vista de la química, se puede diseñar un número infinito de estos MOF", dijo Ahmed. "Así que la pregunta es, si el número es infinito, ¿cómo encuentras un buen material? Es como encontrar una aguja en un pajar; en realidad, es más difícil que eso".

Ahmed usó dos métodos diferentes para detectar dos clases diferentes de MOF. Una clase de MOF tiene lo que se llama un sitio de metal cerrado. Se descubrió que otra clase de MOF tenía un sitio de metal abierto, pero solo una vez que los investigadores limpiaron computacionalmente las moléculas de agua dentro de la estructura de estos MOF.

Los investigadores de la U-M pudieron buscar MOF con un sitio de metal abierto, más atractivo para las moléculas de metano, según un algoritmo desarrollado por Don Siegel, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas.

"Anteriormente, cuando los investigadores buscaban MOF para almacenar metano, no separaban estas dos clases de MOF", dijo Ahmed. "La ventaja de nuestro modelo es que tenemos dos modelos separados. Separamos los compuestos con sitios metálicos cerrados de aquellos con sitios metálicos abiertos, que tienen una mayor afinidad por esas moléculas de metano".

El equipo encontró tres MOF que funcionarían bien para almacenar metano, uno de los cuales el laboratorio de Matzger había desarrollado coincidentemente. El becario postdoctoral Karabi Nath pudo sintetizar los materiales con un área de superficie alta y descubrió que sus capacidades experimentales de metano coincidían con lo que la teoría había predicho. Los MOF (UTSA-76, UMCM-152 y DUT-23-Cu) funcionan bien porque tienen muchos poros pequeños que pueden atraer moléculas de gas al interior.

Matzger imagina un tanque dentro de un camión lleno de estos MOF. Actualmente, los automóviles y camiones convertidos para funcionar con gas natural utilizan tanques costosos diseñados para almacenar gas por debajo de 10,000 libras por pulgada cuadrada, o PSI. En su lugar, los conductores podrían usar un tanque de menor presión lleno de UMCM-152 o uno de los otros dos MOF identificados.

"Lo que distingue a este estudio es que establecimos el récord para el almacenamiento de metano. Estos MOF son mejores que cualquier otro material de almacenamiento de metano identificado previamente, y eso nos ayuda a determinar si nos estamos acercando a un sistema práctico". Matzger dijo.

"Pero lo que sigue haciéndome reír es que uno de los MOF ideales estaba justo delante de nuestras narices y no lo sabíamos. Ahí es donde la teoría, sin duda, nos puso en la dirección correcta". + Explora más

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