مواد مترازه، ذخیره سازی متان را فراتر از روش های معمولی پیش می برند

تصور کنید آینده ای را که در آن خودروها دیگر به بنزین آلوده وابسته نیستند، بلکه به جای آن با گاز طبیعی پاک و کارآمد کار می کنند.این تغییر می تواند به طور قابل توجهی انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهد و کیفیت هوا را بهبود بخشدعنصر اصلی گاز طبیعی، متان، فراوان است و در هنگام سوختن در مقایسه با سایر سوخت های فسیلی دی اکسید کربن کمتری تولید می کند.ذخیره سازی و حمل متان چالش های قابل توجهی را به همراه داردآیا راه حل اقتصادی تر و راحت تری برای ذخیره سازی متان وجود دارد؟

به نظر می رسد پاسخ مثبت باشد. دانشمندان به طور فعال در حال بررسی استفاده از مواد متراکم برای جذب و ذخیره کردن متان هستند، راه حلی که امیدوار کننده است.این مقاله چالش های ذخیره سازی متان را بررسی می کند و اینکه چگونه مواد متخلخل می توانند راه را برای آینده انرژی پاک تر باز کنند.

بنزین، سوخت غالب در حمل و نقل امروز، آلاینده های قابل توجهی را در هنگام احتراق و تبخیر تولید می کند، از جمله اکسید نیتروژن، اکسید گوگرد، مونوکسید کربن،و مقدار کمی از مواد شیمیایی سرطان زااین آلاینده ها نه تنها سلامتی انسان را تهدید می کنند بلکه تخریب محیط زیست را تشدید می کنند. در نتیجه، جستجوی منابع انرژی جایگزین تمیز و کارآمد ضروری شده است.گاز طبیعی، به ویژه متان، به دلیل ذخایر گسترده، هزینه پایین و انتشار نسبتا کمتر دی اکسید کربن در هنگام سوزانده شدن، به عنوان جایگزین ایده آل ظاهر می شود.

با این حال، استفاده از متان کار ساده ای نیست. با دمای بسیار پایین بحرانی (191 K) و فشار بحرانی بالا (46.6 بار) ، متان در دمای محیط به مایع شدن مقاومت می کند.افزایش چشمگیری هزینه های حمل و نقلبنابراین، یافتن روش های ذخیره سازی اقتصادی و موثر برای استفاده گسترده از گاز طبیعی بسیار مهم است.

برای غلبه بر چالش های ذخیره سازی متان، محققان رویکردهای متعددی را توسعه داده اند که سه روش اصلی در آن برجسته است:

• گاز طبیعی مایع (LNG):متان برای ذخیره سازی به دمای بسیار پایین (حدود 112 K) خنک می شود.به سیستم های خنک کننده ی کریوجنیک پیچیده نیاز دارد و هزینه های بالایی دارد..
• گاز طبیعی فشرده (CNG):متان تحت فشار بالا (حدود 200 بار) ذخیره می شود. این روش نسبتاً ساده است اما نیاز به ظروف فشار بالا و کمپرسورهای چند مرحله ای دارد.افزایش هزینه های تجهیزات و خطرات ایمنی.
• گاز طبیعی جذب شده (ANG):مواد متخلخل مانند چارچوب های متال آلی (MOFs) و چارچوب های آلی کووالنت (COFs) برای جذب متان برای ذخیره سازی استفاده می شود.این روش در فشار های پایین تر (1-300 بار) و دما (7-298 K) بدون نیاز به انرژی اضافی کار می کند، باعث می شود که این یک راه حل بسیار امیدوار کننده باشد.

در مقایسه با CNG، که نیاز به کمپرسورهای گران قیمت چند مرحله ای و مخازن فشار بالا دارد، و LNG، که به سیستم های پیچیده کریوجنیک وابسته است،ذخیره سازی ANG با استفاده از مواد متخلخل به نظر می رسد مناسب ترین راه حل کوتاه مدت استاین دستگاه در شرایط فشار و دمای مناسب بدون نیاز به انرژی اضافی کار می کند و امکان اقتصادی بیشتری را فراهم می کند.

چارچوب های فلزی ارگانیک (MOF) مواد کریستالی منافذ هستند که از یون های فلزی و لینکرهای ارگانیک تشکیل شده اند که ساختارهای شبکه دوره ای را تشکیل می دهند. این مواد دارای سطوح سطحی فوق العاده بالایی هستند.اندازه و ساختار منافذ قابل تنظیم، و عملکرد آسان، باعث می شود که آنها برای برنامه های کاربردی در ذخیره سازی گاز، جدایی و کاتالیز بسیار متنوع باشند.

تعامل بین MOF ها و متان متوسط است و امکان ذخیره متان در دمای اتاق و فشار نسبتا بالا را فراهم می کند.این به این معنی است که ذخیره سازی موثر متان می تواند در شرایط نزدیک محیط زیست حاصل شود.کاهش مصرف انرژی و هزینه تجهیزات

در سال ۲۰۱۵، ادداودی و همکارانش از یک ماده MOF به نام Alsoc-MOF-1 برای ذخیره سازی متان گزارش دادند. در ۲۹۸ K و ۶۵ بار، ظرفیت جذب متان کل آن به صفر رسید.42 g/g و ظرفیت کاری (5-65 bar) 0.37 گرم/گرم که نشان دهنده عملکرد قوی ذخیره سازی متان است

به طور کلی، توسعه MOF ها با اندازه های مناسب منافذ و گنجاندن گروه های کاربردی یا سایت ها می تواند ظرفیت متان حجمی آنها را افزایش دهد.MOF ها با حجم بزرگتر منافذ و سطوح سطح تمایل به نشان دادن ظرفیت متان گرانشی بالاتر دارنداین نشان می دهد که از طریق طراحی دقیق و ترکیب MOF ها با ساختارهای خاص و عملکردهای خاص، قابلیت ذخیره سازی متان آنها می تواند بیشتر بهبود یابد.

چارچوب های آلی همجوشی (COF) مواد کریستالی منافذ هستند که از عناصر سبک (مانند B، C، O، H و Si) ساخته شده اند که با پیوندهای همجوشی قوی متصل شده اند. مانند MOF ها،COF ها دارای سطوح بالایی هستندCOF ها دارای تراکم بسیار پایین هستند و در میان کم ترین مواد بلوری شناخته شده قرار دارند (در حد 0.17 g / cm3).این امر به COF ها مزیت منحصر به فردی در ذخیره گاز می دهد، به ویژه در کاربردهایی که مواد سبک وزن ضروری هستند.

به طور کلی، COFهای سه بعدی (3D) به دلیل ساختار منافذ پیچیده تر و حجم منافذ بزرگتر، در جذب متان از COFهای دو بعدی (2D) بهتر عمل می کنند.که مکان های جذب متان بیشتری را فراهم می کنند..

به عنوان مثال، 3D COF-102 دارای حجم منافذ 1.55 cm3 / g است، در حالی که COF-103 دارای 1.54 cm3 / g است. تحت شرایط 35 بار و 298 K، آنها ظرفیت جذب متان با فشار بالا 187 mg / g را نشان می دهند.7٪ در وزن و 175 mg/g (17در مقابل، 2D COF-5 با حجم منافذ 1.07 cm3/g، ظرفیت جذب متان 89 mg/g (8.9 wt%) را در همان شرایط نشان می دهد.بالاترین COF 2D.

این یافته ها پتانسیل قابل توجهی از COF ها برای ذخیره سازی متان، به ویژه در شرایط فشار بالا را برجسته می کنند.با طراحی و سنتز COF با ساختار منافذ خاص و عملکردهای خاص، ظرفیت ذخیره سازی متان آنها می تواند برای کاربردهای عملی بیشتر تقویت شود.

• افزایش ظرفیت جذب:در حالی که MOF ها و COF های موجود نشان دهنده جذب قابل توجهی از متان هستند، فضای قابل توجهی برای بهبود وجود دارد. تحقیقات آینده باید بر طراحی مواد با سطوح بالاتر متمرکز شود.حجم بزرگتر منافذ، و وابستگی متان قوی تر.
• بهبود ثبات:برخی از MOF ها و COF ها در محیط های مرطوب یا اسیدی مستعد تجزیه هستند و کاربرد عملی آنها را محدود می کنند. توسعه مواد با ثبات شیمیایی و حرارتی بیشتر ضروری است.
• کاهش هزینه ها:هزینه های فعلی سنتز برای MOF ها و COF ها نسبتاً بالا باقی می ماند، که مانع از پذیرش در مقیاس بزرگ می شود. روش های سنتز اقتصادی و کارآمدتر باید مورد بررسی قرار گیرند.

با وجود این چالش ها، پیشرفت های مداوم در علم و فناوری نشان می دهد که MOF ها و COF ها نقش حیاتی بیشتری در ذخیره سازی متان خواهند داشت.آنها می توانند اجزای کلیدی در سیستم های انرژی پاک آینده باشند، که به توسعه پایدار کمک می کند.

متان به عنوان یک منبع انرژی جایگزین تمیز و کارآمد با پتانسیل گسترده ای است.استفاده از مواد متخلخل مانند MOFs و COFs برای جذب متان یک راه حل بسیار امیدوار کننده استاز طریق تحقیقات و توسعه مداوم، موانع موجود را می توان برطرف کرد و ذخیره سازی و استفاده کارآمد از متان را امکان پذیر می کند، که یک گام حیاتی در جهت آینده انرژی پاکتر و پایدارتر است.