Porieuze materialen helpen methaan op te slaan met traditionele methoden

Stel je een toekomst voor waarin voertuigen niet langer afhankelijk zijn van vervuilende benzine, maar in plaats daarvan worden aangedreven door schone, efficiënte aardgas. Deze verschuiving zou de uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk kunnen verminderen en de luchtkwaliteit kunnen verbeteren. De belangrijkste component van aardgas, methaan, is overvloedig aanwezig en produceert minder kooldioxide bij verbranding in vergelijking met andere fossiele brandstoffen. Het opslaan en transporteren van methaan brengt echter aanzienlijke uitdagingen met zich mee. Het is bestand tegen vloeibaar maken bij kamertemperatuur en opslag onder hoge druk brengt aanzienlijke kosten met zich mee. Zou er een meer economische en handige oplossing kunnen zijn voor de opslag van methaan?

Het antwoord lijkt ja te zijn. Wetenschappers onderzoeken actief het gebruik van poreuze materialen om methaan te adsorberen en op te slaan, een oplossing die enorm veelbelovend is. Dit artikel onderzoekt de uitdagingen van methaanopslag en hoe poreuze materialen de weg kunnen effenen voor een schonere energietoekomst.

Benzine, de dominante brandstof in het huidige transport, genereert aanzienlijke verontreinigende stoffen tijdens verbranding en verdamping, waaronder stikstofoxiden, zwaveloxiden, koolmonoxide en sporen van kankerverwekkende chemicaliën. Deze verontreinigende stoffen bedreigen niet alleen de menselijke gezondheid, maar verergeren ook de aantasting van het milieu. Bijgevolg is de zoektocht naar schone, efficiënte alternatieve energiebronnen urgent geworden. Aardgas, met name methaan, komt naar voren als een ideale vervanging vanwege zijn enorme reserves, lage kosten en relatief lagere kooldioxide-uitstoot bij verbranding.

Het benutten van methaan is echter geen eenvoudige taak. Met een extreem lage kritische temperatuur (191 K) en hoge kritische druk (46,6 bar) is methaan bestand tegen vloeibaar maken bij omgevingstemperaturen, waardoor de transportkosten dramatisch toenemen. Het vinden van economische en effectieve opslagmethoden wordt dus cruciaal voor de wijdverspreide acceptatie van aardgas.

Om de uitdagingen van methaanopslag te overwinnen, hebben onderzoekers meerdere benaderingen ontwikkeld, waarbij drie primaire methoden opvallen:

• Vloeibaar aardgas (LNG): Methaan wordt gekoeld tot extreem lage temperaturen (ongeveer 112 K) voor opslag. Hoewel deze methode het volume aanzienlijk vermindert, vereist het complexe cryogene koelsystemen en brengt het hoge kosten met zich mee.
• Gecomprimeerd aardgas (CNG): Methaan wordt opgeslagen onder hoge druk (ongeveer 200 bar). Deze aanpak is relatief eenvoudig, maar vereist hogedrukcontainers en meerfasencompressoren, waardoor zowel de kosten van de apparatuur als de veiligheidsrisico's toenemen.
• Geadsorbeerd aardgas (ANG): Poreuze materialen zoals metaal-organische raamwerken (MOF's) en covalente organische raamwerken (COF's) worden gebruikt om methaan te adsorberen voor opslag. Deze methode werkt bij lagere drukken (1-300 bar) en temperaturen (7-298 K) zonder extra energie-input, waardoor het een zeer veelbelovende oplossing is.

Vergeleken met CNG, dat dure meerfasencompressoren en zware hogedruktanks vereist, en LNG, dat afhankelijk is van complexe cryogene systemen, lijkt ANG-opslag met behulp van poreuze materialen de meest haalbare oplossing op korte termijn te zijn. Het werkt onder redelijke druk- en temperatuuromstandigheden zonder extra energievereisten, wat een grotere economische haalbaarheid biedt.

Metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn kristallijne poreuze materialen die bestaan uit metaalionen en organische linkers die periodieke netwerkstructuren vormen. Deze materialen hebben ultrahoge oppervlaktegebieden, instelbare poriegroottes en -structuren en eenvoudige functionalisering, waardoor ze zeer veelzijdig zijn voor toepassingen in gasopslag, -scheiding en -katalyse.

De interactie tussen MOF's en methaan is matig, waardoor methaan kan worden opgeslagen bij kamertemperatuur en relatief hoge drukken. Dit betekent dat effectieve methaanopslag kan worden bereikt onder bijna omgevingsomstandigheden, waardoor het energieverbruik en de kosten van de apparatuur worden verlaagd.

In 2015 rapporteerden Eddaoudi en collega's een MOF-materiaal genaamd Alsoc-MOF-1 voor methaanopslag. Bij 298 K en 65 bar demonstreerde het een totale methaanadsorptiecapaciteit van 0,42 g/g en een werkcapaciteit (5-65 bar) van 0,37 g/g, wat duidt op sterke methaanopslagprestaties.

Over het algemeen kan het ontwikkelen van MOF's met geschikte poriegroottes en het opnemen van functionele groepen of sites hun volumetrische methaan capaciteit verhogen. Bovendien hebben MOF's met grotere porievolumes en oppervlaktegebieden de neiging om hogere gravimetrische methaan capaciteiten te vertonen. Dit suggereert dat door zorgvuldig ontwerp en synthese van MOF's met specifieke structuren en functionaliteiten, hun methaanopslagcapaciteiten verder kunnen worden verbeterd.

Covalente organische raamwerken (COF's) zijn kristallijne poreuze materialen die zijn geconstrueerd uit lichte elementen (zoals B, C, O, H en Si) die zijn verbonden door sterke covalente bindingen. Net als MOF's hebben COF's hoge oppervlaktegebieden, grote porievolumes en instelbare poriestructuren. Cruciaal is dat COF's extreem lage dichtheden hebben, behorend tot de minst dichte kristallijne materialen die bekend zijn (zo laag als 0,17 g/cm³). Dit geeft COF's een uniek voordeel bij gasopslag, met name in toepassingen waar lichtgewicht materialen essentieel zijn.

Over het algemeen presteren driedimensionale (3D) COF's beter dan tweedimensionale (2D) COF's bij methaanadsorptie vanwege hun complexere poriestructuren en grotere porievolumes, die meer methaanadsorptieplaatsen bieden.

3D COF-102 heeft bijvoorbeeld een porievolume van 1,55 cm³/g, terwijl COF-103 1,54 cm³/g heeft. Onder 35 bar en 298 K omstandigheden vertonen ze hogedruk methaanadsorptiecapaciteiten van respectievelijk 187 mg/g (18,7 gew.%) en 175 mg/g (17,5 gew.%) - de hoogste onder COF's. Daarentegen vertoont 2D COF-5, met een porievolume van 1,07 cm³/g, een methaanadsorptiecapaciteit van 89 mg/g (8,9 gew.%) onder dezelfde omstandigheden, de hoogste onder 2D COF's.

Deze bevindingen benadrukken het aanzienlijke potentieel van COF's voor methaanopslag, met name onder hogedrukomstandigheden. Door COF's te ontwerpen en te synthetiseren met specifieke poriestructuren en functionaliteiten, kunnen hun methaanopslagcapaciteiten verder worden verbeterd voor praktische toepassingen.

• Verbetering van de adsorptiecapaciteit: Hoewel bestaande MOF's en COF's opmerkelijke methaanadsorptie aantonen, is er aanzienlijke ruimte voor verbetering. Toekomstig onderzoek moet zich richten op het ontwerpen van materialen met hogere oppervlaktegebieden, grotere porievolumes en een sterkere methaanaffiniteit.
• Verbetering van de stabiliteit: Sommige MOF's en COF's zijn gevoelig voor ontleding in vochtige of zure omgevingen, wat hun praktische toepassingen beperkt. Het ontwikkelen van materialen met een grotere chemische en thermische stabiliteit is essentieel.
• Kostenreductie: De huidige synthesekosten voor MOF's en COF's blijven relatief hoog, wat de grootschalige acceptatie belemmert. Er moeten meer economische en efficiënte synthesemethoden worden onderzocht.

Ondanks deze uitdagingen suggereren voortdurende ontwikkelingen in wetenschap en technologie dat MOF's en COF's een steeds vitalere rol zullen spelen bij methaanopslag. Ze zouden belangrijke componenten kunnen worden in toekomstige schone energiesystemen en bijdragen aan duurzame ontwikkeling.

Methaan is een schone, efficiënte alternatieve energiebron met een enorm potentieel. Uitdagingen op het gebied van opslag en transport blijven echter bestaan. Het gebruik van poreuze materialen zoals MOF's en COF's om methaan te adsorberen, biedt een zeer veelbelovende oplossing. Door voortdurend onderzoek en ontwikkeling kunnen bestaande obstakels worden overwonnen, waardoor efficiënte methaanopslag en -gebruik mogelijk worden - een cruciale stap naar een schonere, duurzamere energietoekomst.