Poröse Materialien fördern die Methanspeicherung über herkömmliche Methoden hinaus

Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der Fahrzeuge nicht mehr auf umweltschädliches Benzin angewiesen sind, sondern stattdessen mit sauberem, effizientem Erdgas betrieben werden. Diese Umstellung könnte die Treibhausgasemissionen erheblich reduzieren und die Luftqualität verbessern. Der Hauptbestandteil von Erdgas, Methan, ist reichlich vorhanden und produziert bei der Verbrennung weniger Kohlendioxid im Vergleich zu anderen fossilen Brennstoffen. Die Speicherung und der Transport von Methan stellen jedoch erhebliche Herausforderungen dar. Es widersteht der Verflüssigung bei Raumtemperatur, und die Hochdruckspeicherung ist mit erheblichen Kosten verbunden. Könnte es eine wirtschaftlichere und bequemere Lösung für die Methanspeicherung geben?

Die Antwort scheint ja zu lauten. Wissenschaftler erforschen aktiv die Verwendung poröser Materialien zur Adsorption und Speicherung von Methan, eine Lösung, die enormes Potenzial birgt. Dieser Artikel untersucht die Herausforderungen der Methanspeicherung und wie poröse Materialien den Weg für eine sauberere Energiezukunft ebnen könnten.

Benzin, der heute dominierende Kraftstoff im Verkehr, erzeugt bei der Verbrennung und Verdunstung erhebliche Schadstoffe, darunter Stickoxide, Schwefeloxide, Kohlenmonoxid und Spuren von krebserregenden Chemikalien. Diese Schadstoffe gefährden nicht nur die menschliche Gesundheit, sondern verschärfen auch die Umweltzerstörung. Folglich ist die Suche nach sauberen, effizienten alternativen Energiequellen dringend geworden. Erdgas, insbesondere Methan, erweist sich aufgrund seiner riesigen Reserven, seiner geringen Kosten und der relativ geringeren Kohlendioxidemissionen bei der Verbrennung als idealer Ersatz.

Die Nutzung von Methan ist jedoch keine einfache Aufgabe. Mit einer extrem niedrigen kritischen Temperatur (191 K) und einem hohen kritischen Druck (46,6 bar) widersteht Methan der Verflüssigung bei Umgebungstemperaturen, was die Transportkosten drastisch erhöht. Daher ist die Suche nach wirtschaftlichen und effektiven Speichermethoden für eine weitverbreitete Erdgasnutzung von entscheidender Bedeutung.

Um die Herausforderungen der Methanspeicherung zu bewältigen, haben Forscher mehrere Ansätze entwickelt, wobei drei Hauptmethoden hervorstechen:

• Flüssigerdgas (LNG): Methan wird zur Speicherung auf extrem niedrige Temperaturen (ca. 112 K) abgekühlt. Obwohl diese Methode das Volumen erheblich reduziert, erfordert sie komplexe kryogene Kühlsysteme und ist mit hohen Kosten verbunden.
• Komprimiertes Erdgas (CNG): Methan wird unter hohem Druck (ca. 200 bar) gespeichert. Dieser Ansatz ist relativ einfach, erfordert aber Hochdruckbehälter und mehrstufige Kompressoren, was sowohl die Geräte- als auch die Sicherheitskosten erhöht.
• Adsorbiertes Erdgas (ANG): Poröse Materialien wie metallorganische Gerüste (MOFs) und kovalente organische Gerüste (COFs) werden verwendet, um Methan zur Speicherung zu adsorbieren. Diese Methode arbeitet bei niedrigeren Drücken (1-300 bar) und Temperaturen (7-298 K) ohne zusätzlichen Energieaufwand, was sie zu einer vielversprechenden Lösung macht.

Im Vergleich zu CNG, das teure mehrstufige Kompressoren und schwere Hochdrucktanks benötigt, und LNG, das von komplexen kryogenen Systemen abhängt, scheint die ANG-Speicherung mit porösen Materialien die praktikabelste kurzfristige Lösung zu sein. Sie arbeitet unter angemessenen Druck- und Temperaturbedingungen ohne zusätzlichen Energiebedarf und bietet eine größere wirtschaftliche Machbarkeit.

Metallorganische Gerüste (MOFs) sind kristalline poröse Materialien, die aus Metallionen und organischen Linkern bestehen, die periodische Netzwerkstrukturen bilden. Diese Materialien verfügen über ultrahohe Oberflächen, einstellbare Porengrößen und -strukturen sowie eine einfache Funktionalisierung, was sie für Anwendungen in der Gasspeicherung, -trennung und -katalyse sehr vielseitig macht.

Die Wechselwirkung zwischen MOFs und Methan ist moderat, was die Methanspeicherung bei Raumtemperatur und relativ hohen Drücken ermöglicht. Dies bedeutet, dass eine effektive Methanspeicherung unter nahezu Umgebungsbedingungen erreicht werden kann, wodurch der Energieverbrauch und die Geräteausgaben reduziert werden.

Im Jahr 2015 berichteten Eddaoudi und Kollegen über ein MOF-Material namens Alsoc-MOF-1 für die Methanspeicherung. Bei 298 K und 65 bar zeigte es eine Methan-Gesamtabsorptionskapazität von 0,42 g/g und eine Arbeitskapazität (5-65 bar) von 0,37 g/g, was auf eine starke Methanspeicherleistung hindeutet.

Im Allgemeinen kann die Entwicklung von MOFs mit geeigneten Porengrößen und die Integration von funktionellen Gruppen oder Stellen ihre volumetrische Methankapazität erhöhen. Darüber hinaus neigen MOFs mit größeren Porenvolumina und Oberflächen dazu, höhere gravimetrische Methankapazitäten aufzuweisen. Dies deutet darauf hin, dass durch sorgfältiges Design und Synthese von MOFs mit spezifischen Strukturen und Funktionalitäten ihre Methanspeicherkapazitäten weiter verbessert werden können.

Kovalente organische Gerüste (COFs) sind kristalline poröse Materialien, die aus leichten Elementen (wie B, C, O, H und Si) aufgebaut sind, die durch starke kovalente Bindungen verbunden sind. Wie MOFs weisen COFs hohe Oberflächen, große Porenvolumina und einstellbare Porenstrukturen auf. Entscheidend ist, dass COFs extrem niedrige Dichten aufweisen und zu den am wenigsten dichten bekannten kristallinen Materialien gehören (bis zu 0,17 g/cm³). Dies verschafft COFs einen einzigartigen Vorteil bei der Gasspeicherung, insbesondere in Anwendungen, in denen leichte Materialien unerlässlich sind.

Im Allgemeinen übertreffen dreidimensionale (3D) COFs zweidimensionale (2D) COFs bei der Methanadsorption aufgrund ihrer komplexeren Porenstrukturen und größeren Porenvolumina, die mehr Methanadsorptionsstellen bieten.

Zum Beispiel hat 3D COF-102 ein Porenvolumen von 1,55 cm³/g, während COF-103 1,54 cm³/g hat. Unter Bedingungen von 35 bar und 298 K weisen sie Hochdruck-Methanadsorptionskapazitäten von 187 mg/g (18,7 Gew.-%) bzw. 175 mg/g (17,5 Gew.-%) auf – die höchsten unter den COFs. Im Gegensatz dazu zeigt 2D COF-5 mit einem Porenvolumen von 1,07 cm³/g eine Methanadsorptionskapazität von 89 mg/g (8,9 Gew.-%) unter den gleichen Bedingungen, die höchste unter den 2D COFs.

Diese Ergebnisse unterstreichen das erhebliche Potenzial von COFs für die Methanspeicherung, insbesondere unter Hochdruckbedingungen. Durch das Design und die Synthese von COFs mit spezifischen Porenstrukturen und Funktionalitäten können ihre Methanspeicherkapazitäten für praktische Anwendungen weiter verbessert werden.

• Verbesserung der Adsorptionskapazität: Während bestehende MOFs und COFs eine bemerkenswerte Methanadsorption zeigen, gibt es erheblichen Raum für Verbesserungen. Zukünftige Forschung sollte sich auf die Entwicklung von Materialien mit höheren Oberflächen, größeren Porenvolumina und einer stärkeren Methanaffinität konzentrieren.
• Verbesserung der Stabilität: Einige MOFs und COFs neigen zur Zersetzung in feuchten oder sauren Umgebungen, was ihre praktischen Anwendungen einschränkt. Die Entwicklung von Materialien mit größerer chemischer und thermischer Stabilität ist unerlässlich.
• Reduzierung der Kosten: Die aktuellen Synthesekosten für MOFs und COFs sind immer noch relativ hoch, was die großtechnische Einführung behindert. Es müssen wirtschaftlichere und effizientere Synthesemethoden erforscht werden.

Trotz dieser Herausforderungen deuten die anhaltenden Fortschritte in Wissenschaft und Technologie darauf hin, dass MOFs und COFs eine immer wichtigere Rolle bei der Methanspeicherung spielen werden. Sie könnten zu Schlüsselkomponenten in zukünftigen sauberen Energiesystemen werden und zur nachhaltigen Entwicklung beitragen.

Methan ist eine saubere, effiziente alternative Energiequelle mit großem Potenzial. Die Herausforderungen bei der Speicherung und dem Transport bestehen jedoch weiterhin. Die Verwendung poröser Materialien wie MOFs und COFs zur Adsorption von Methan stellt eine vielversprechende Lösung dar. Durch laufende Forschung und Entwicklung können bestehende Hindernisse überwunden werden, was eine effiziente Methanspeicherung und -nutzung ermöglicht – ein entscheidender Schritt in Richtung einer saubereren, nachhaltigeren Energiezukunft.