I materiali porosi fanno progredire lo stoccaggio del metano oltre i metodi convenzionali

Immaginate un futuro in cui i veicoli non si baseranno più su benzina inquinante ma saranno alimentati da gas naturale pulito ed efficiente.Questo cambiamento potrebbe ridurre significativamente le emissioni di gas serra e migliorare la qualità dell'ariaIl principale componente del gas naturale, il metano, è abbondante e produce meno anidride carbonica quando viene bruciato rispetto ad altri combustibili fossili.L'immagazzinamento e il trasporto del metano presentano importanti sfideIl metano è resistente alla liquefazione a temperatura ambiente, e lo stoccaggio ad alta pressione comporta costi considerevoli.

Gli scienziati stanno attivamente studiando l'utilizzo di materiali porosi per assorbire e immagazzinare il metano, una soluzione che risulta estremamente promettente.Questo articolo esamina le sfide dell'accumulo di metano e come i materiali porosi potrebbero aprire la strada a un futuro di energia più pulita.

La benzina, oggi il combustibile dominante nei trasporti, genera sostanze inquinanti sostanziali durante la combustione e l'evaporazione, tra cui ossidi di azoto, ossidi di zolfo, monossido di carbonio,e tracce di sostanze chimiche cancerogeneQuesti inquinanti non solo minacciano la salute umana, ma aggravano anche il degrado ambientale.Gas naturale, in particolare il metano, emerge come un sostituto ideale a causa delle sue vaste riserve, del basso costo e delle emissioni di anidride carbonica relativamente inferiori quando bruciato.

Tuttavia, l'utilizzo del metano non è un compito semplice: con una temperatura critica estremamente bassa (191 K) e un'elevata pressione critica (46,6 bar), il metano resiste alla liquefazione a temperature ambientali.aumento drammatico dei costi di trasportoPertanto, la ricerca di metodi di stoccaggio economici ed efficaci diventa fondamentale per l'adozione diffusa del gas naturale.

Per superare le sfide legate allo stoccaggio del metano, i ricercatori hanno sviluppato diversi approcci, con tre metodi principali:

• Gas naturale liquefatto (GNL):Il metano viene raffreddato a temperature estremamente basse (circa 112 K) per la conservazione.richiede sistemi di raffreddamento criogenici complessi e comporta costi elevati.
• Gas naturale compresso (GNC):Il metano viene immagazzinato ad alta pressione (circa 200 bar), un approccio relativamente semplice, ma che richiede contenitori ad alta pressione e compressori a più fasi.aumento sia dei costi dell'attrezzatura che dei rischi per la sicurezza.
• Gas naturale assorbito (NG):I materiali porosi come le strutture metallo-organiche (MOF) e le strutture organiche covalenti (COF) sono utilizzati per assorbire il metano per lo stoccaggio.Questo metodo funziona a basse pressioni (1-300 bar) e temperature (7-298 K) senza richiedere un ulteriore apporto di energia, che la rende una soluzione molto promettente.

Rispetto al GNC, che richiede costosi compressori a più fasi e pesanti serbatoi ad alta pressione, e al GNL, che dipende da complessi sistemi criogenici,Lo stoccaggio di ANG con materiali porosi sembra essere la soluzione più praticabile a breve termine• opera a pressioni e temperature ragionevoli senza richieste di energia aggiuntive, offrendo una maggiore fattibilità economica.

Le strutture metallo-organiche (MOF) sono materiali cristallini porosi composti da ioni metallici e collegatori organici che formano strutture di rete periodiche.dimensioni e strutture dei pori regolabili, e facile funzionalità, rendendoli altamente versatili per applicazioni di stoccaggio, separazione e catalisi del gas.

L'interazione tra MOF e metano è moderata, consentendo lo stoccaggio del metano a temperatura ambiente e a pressioni relativamente elevate.Ciò significa che l'immagazzinamento efficace di metano può essere ottenuto in condizioni di ambiente, riducendo il consumo di energia e i costi delle attrezzature.

Nel 2015, Eddaoudi e colleghi hanno riportato un materiale MOF chiamato Alsoc-MOF-1 per lo stoccaggio del metano.42 g/g e una capacità di lavoro (5-65 bar) di 0.37 g/g, indicando una buona capacità di stoccaggio del metano.

In generale, lo sviluppo di MOF con dimensioni di poro adeguate e l'incorporazione di gruppi o siti funzionali può migliorare la loro capacità volumetrica di metano.Le MOF con volumi di pori e superfici superficiali maggiori tendono a mostrare capacità di metano gravimetrico più elevateCiò suggerisce che, attraverso un'attenta progettazione e la sintesi di MOF con strutture e funzionalità specifiche, le loro capacità di stoccaggio del metano possono essere ulteriormente migliorate.

Le strutture organiche covalenti (COF) sono materiali cristallini porosi costruiti da elementi leggeri (come B, C, O, H e Si) collegati da forti legami covalenti.Le COF presentano superfici elevateIn particolare, i COF hanno densità estremamente basse, classificandosi tra i materiali cristallini meno densi noti (basso di 0,17 g/cm3).Ciò conferisce ai COF un vantaggio unico nello stoccaggio del gas, in particolare nelle applicazioni in cui i materiali leggeri sono essenziali.

Generalmente, le COF tridimensionali (3D) superano le COF bidimensionali (2D) nell'assorbimento del metano a causa delle loro strutture porose più complesse e dei volumi dei pori più grandi,che forniscono più siti di assorbimento del metano.

Ad esempio, il 3D COF-102 ha un volume di pori di 1,55 cm3/g, mentre il COF-103 ha 1,54 cm3/g. In condizioni di 35 bar e 298 K, presentano capacità di assorbimento di metano ad alta pressione di 187 mg/g (18.7%) e 175 mg/g (17Invece, il COF-2D-5, con un volume dei pori di 1,07 cm3/g, presenta una capacità di assorbimento del metano di 89 mg/g (8,9 p.p.) nelle stesse condizioni.il più alto tra i COF 2D.

Questi risultati evidenziano il significativo potenziale dei COF per lo stoccaggio del metano, in particolare in condizioni di alta pressione.Progettando e sintetizzando COF con specifiche strutture e funzionalità porose, le loro capacità di stoccaggio del metano possono essere ulteriormente migliorate per applicazioni pratiche.

• Miglioramento della capacità di assorbimento:Mentre i MOF e i COF esistenti dimostrano un notevole assorbimento del metano, vi è un notevole margine di miglioramento.volumi di pori più grandi, e una maggiore affinità con il metano.
• Miglioramento della stabilità:Alcuni MOF e COF sono inclini alla decomposizione in ambienti umidi o acidi, limitando le loro applicazioni pratiche.
• Riduzione dei costi:Gli attuali costi di sintesi per MOF e COF rimangono relativamente elevati, ostacolando l'adozione su larga scala.

Nonostante queste sfide, i continui progressi della scienza e della tecnologia suggeriscono che i MOF e i COF svolgeranno un ruolo sempre più importante nello stoccaggio del metano.Potrebbero diventare componenti chiave dei futuri sistemi di energia pulita, contribuendo allo sviluppo sostenibile.

Il metano rappresenta una fonte di energia alternativa pulita ed efficiente con un enorme potenziale.L'utilizzo di materiali porosi come MOF e COF per assorbire il metano rappresenta una soluzione molto promettenteAttraverso la ricerca e lo sviluppo in corso, gli ostacoli esistenti possono essere superati, consentendo uno stoccaggio e un utilizzo efficienti del metano, un passo cruciale verso un futuro energetico più pulito e sostenibile.