透孔型 材料 は 従来 の 方法 を 超え て メタン 貯蔵 を 進める

自動車が汚染ガソリンではなく 清潔で効率的な天然ガスで動いている未来を想像してみてくださいこの変化は温室効果ガスの排出を大幅に削減し,空気の質を向上させる天然ガスの主要成分であるメタン (methane) は豊富で,他の化石燃料と比較して燃焼するときに二酸化炭素を生産する量が少ない.しかし,メタンの貯蔵と輸送は大きな課題です室温での液化に耐性があり,高圧貯蔵にはかなりのコストがかかります.メタン貯蔵に より経済的で便利な解決策はありますか?

科学 者 たち は,メタン を 吸収 し,貯蔵 する ため に 透孔 性 の 材料 を 使う こと を 積極的に 研究 し て い ます.この 方法 は 極めて 期待 できる 方法 です.この 記事 は,メタン 貯蔵 の 課題 と 透孔 性 の 材料 が より 清潔 な エネルギー の 未来 を 築く 方法 を 検討 し ます.

燃料は,燃料の燃焼と蒸発中に,窒素酸化物,硫黄酸化物,炭素一酸化物,微量で発がん性化学物質これらの汚染物質は,人間の健康を脅かすだけでなく,環境の劣化も悪化させます.したがって,清潔で効率的な代替エネルギー源の探求は緊急に必要になりました.天然ガスメタンは,大量の貯蔵量,低コスト,燃焼時の二酸化炭素排出量が比較的低いため,理想的な代替物として登場します.

メタンの利用は簡単ではありません.非常に低い臨界温度 (191K) と高い臨界圧 (46.6bar) で,メタンは環境温度の液化に抵抗します.交通費を劇的に増やすしたがって,経済的で効果的な貯蔵方法を見つけることは,天然ガスの普及に不可欠です.

メタン貯蔵の課題を克服するために 研究者は複数のアプローチを開発し,3つの主要な方法が注目されています

• 液化天然ガス (LNG):メタンは貯蔵のために非常に低い温度 (約112 K) に冷却されます.この方法により容量が大幅に減少しますが,複雑な冷却システムが必要で 高コストです.
• 圧縮天然ガス (CNG):メタンは高圧 (約200bar) で貯蔵されます.この方法は比較的簡単ですが,高圧容器と多段階圧縮機が必要です.設備コストと安全リスクの両方を増加させる.
• 吸収された天然ガス (ANG):メタル有機フレームワーク (MOF) や共性有機フレームワーク (COF) などの孔状材料は,貯蔵のためにメタンを吸収するために使用されます.この方法は,追加のエネルギー投入を必要とせずに,より低い圧力 (1~300バー) と温度 (7~298K) で動作する.解決策として非常に有望です

高価な多段階圧縮機と 重い高圧タンクが必要で 複雑な冷凍システムに依存するLNGと比較すると毛孔のある材料を用いた ANG 貯蔵は,最も有効な短期的解決策である余分なエネルギーを必要とせず,合理的な圧力と温度条件下で動作し,より経済的な実行可能性を提供します.

金属有機フレームワーク (MOF) は,周期ネットワーク構造を形成する金属イオンと有機リンクから構成された結晶性多孔性材料である.これらの材料は超高表面面積を有し,調節可能な孔の大きさと構造ガス貯蔵,分離,触媒化におけるアプリケーションに非常に汎用性がある.

MOFとメタンの相互作用は適度で,室温と比較的高い圧力でメタンを貯蔵できる.効果的メタン貯蔵が環境に近い条件で達成できるということですエネルギー消費と設備コストを削減する.

2015年,エドダウディと同僚は,メタン貯蔵用のMOF材料であるAlsloc-MOF-1を報告した. 298Kと65barで,メタンの総吸収容量は0であった.42g/g,作業容量 (5~65bar) は0.37g/gで メタンの貯蔵性能が良さそうだ

一般的に,適切な毛穴の大きさを持つMOFを開発し,機能グループまたはサイトを組み込むことは,その体積メタン容量を向上させることができます.より大きな孔の体積と表面面積を持つMOFは,より高い重力測定メタン容量を示す傾向があります.これは,特定の構造と機能を持つMOFの慎重な設計と合成によって,メタン貯蔵能力をさらに改善することができると示唆しています.

コバルント有機フレームワーク (COF) は,強いコバルント結合によって接続された軽い元素 (B,C,O,H,Siなど) から構成された結晶性多孔性物質である.MOFと同様に,COFは高い表面面積を持っていますCOFは非常に低密度で,知られている最も低密度な結晶材料の1つである (0.17 g/cm3以下).これは,COFにガス貯蔵におけるユニークな利点を与えます特に軽量材料が不可欠な用途では

一般的に,三次元 (3D) COFは,より複雑な毛孔構造とより大きな毛孔体積により,メタン吸収において二次元 (2D) COFを上回る.メタンの吸収場所が増える.

例えば,3DCOF-102は毛孔体積が1.55cm3/gで,COF-103は1.54cm3/gである.35barと298Kの条件下では,高圧メタン吸収容量は187mg/g (18.体重の7%) と 175 mg/g (17対照的に,2DCOF-5は,毛孔体積が1.07cm3/gで,同じ条件下ではメタン吸附能力が89mg/g (8.9w/%) である.2D COFの中で最も高い.

これらの発見は,特に高圧下でメタン貯蔵のためのCOFの大きな可能性を強調しています.特殊な孔構造と機能を持つCOFを設計し合成することでメタンの貯蔵能力をさらに強化し,実用的な応用が可能になる.

• 吸収容量を向上させる既存のMOFとCOFは,メタン吸着が顕著である一方で,改善の余地がかなりあります.将来の研究は,より高い表面面積を持つ材料の設計に焦点を当てなければなりません.毛穴の大きさはメタンの親和性が強い.
• 安定性を向上させるMOFやCOFのいくつかは,湿気や酸性環境で分解しやすいため,実用的な応用が限られている.より高い化学的および熱的安定性を持つ材料の開発は不可欠である.
• 費用 を 削減 する現在,MOFとCOFの合成コストは比較的高く,大規模な導入を妨げています.より経済的で効率的な合成方法を探求する必要があります.

これらの課題にもかかわらず,科学技術における継続的な進歩は,MOFとCOFがメタン貯蔵においてますます重要な役割を果たすことを示唆しています.将来のクリーンエネルギーシステムにおいて 重要な要素となるかもしれません持続可能な発展に貢献する

メタンは,大きな可能性を持つ清潔で効率的な代替エネルギー源です.しかし,貯蔵と輸送の課題は依然として残っています.メタンを吸収するためにMOFやCOFのような多孔材料を使用することは 非常に有望な解決策です継続的な研究開発を通じて,既存の障害は克服され,効率的なメタン貯蔵と利用が可能になり,より清潔で持続可能なエネルギー未来への重要な一歩となります.