新型铝基金属有机框架材料可用于携带清洁能源

热点 2021-01-06 22:54:25

新型铝基金属有机框架材料,可在相对较低的压力下大量储存氢气和甲烷。据西北大学(Northwestern University)的有关研究人员介绍,在燃料电池车辆中,这种材料可用于携带清洁能源。

2017年,交通工具取代发电厂,成为最大的温室气体排放源,比如汽车、卡车、飞机、火车和船只。2018年,运输业排放比例进一步上升,预计这一趋势还将持续下去,因此,寻找交通友好型替代能源具有重要意义。

甲烷和氢气一直被视为柴油和汽油的潜在替代品。甲烷在燃烧时仍会释放二氧化碳(尽管比汽油少),因此被认为是一种“过渡”燃料;而氢则被誉为“未来燃料”,因为它在燃烧时既不会产生二氧化碳,也不会产生颗粒污染。问题在于,氢和甲烷在常温下都是气体,在运输和储存时需要压缩至高压状态(分别为700bar和250bar)。对驾驶员和其他有关人员来说,压力过高容易造成危险,因此汽车的最大存储压力被限定为100bar,这使给定空间中可存储的气体量大大减少。

近年来,研究人员着手研究高表面积多孔吸附剂材料,旨在不增加压力的情况下,增加给定体积中可储存的气体量。金属有机框架(MOF)的表面积为2000m2/g及以上,被认为是很有前途的候选者。这些高度结晶的材料,由有机分子、金属离子或自组装成多维结构的簇状物组成,具有可定制孔隙化学性质和形状,便于设计。

西北大学Omar Farha领导的研究小组,利用分子模拟技术,设计了一种基于NU-1501-M三核簇(其中M代表铝或铁)的超多孔金属有机框架。研究人员发现,NU-1501-Al具有优异的存储性能,可以存储高质量和体积的氢气和甲烷。研究证明,在100bar和270K的情况下,每克这种材料能够储存0.66g甲烷,高于能源部为下一代清洁能源汽车设定的0.5 g/g目标。这种材料还具有较高的可交付储氢能力,按重量计算为14%,这意味着它可以储存相当于自身质量14%的氢,已超过能源部2020年4.5%的目标。

此类材料的微孔直径小于2.5nm,提供了非常大的表面积,足以吸附气体。Farha指出,每克材料样品的体积相当于6颗M&M糖果,其表面积相当于1.3个足球场。

Farha说,该团队研发的金属有机框架具有超大表面积,可以在气孔中储存大量的氢气和甲烷。而且,比起目前燃料电池汽车的要求,这种材料可以更低压力下,向汽车发动机输送气体。

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