Materiały porowe pozwalają na przechowywanie metanu w sposób wykraczający poza konwencjonalne metody

Wyobraź sobie przyszłość, w której pojazdy nie polegają już na zanieczyszczającej benzynie, ale są napędzane czystym, wydajnym gazem ziemnym. Ta zmiana mogłaby znacznie zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i poprawić jakość powietrza. Główny składnik gazu ziemnego, metan, jest obfity i wytwarza mniej dwutlenku węgla podczas spalania w porównaniu z innymi paliwami kopalnymi. Jednak przechowywanie i transport metanu stwarza znaczne wyzwania. Jest on odporny na skraplanie w temperaturze pokojowej, a przechowywanie pod wysokim ciśnieniem wiąże się ze znacznymi kosztami. Czy istnieje bardziej ekonomiczne i wygodne rozwiązanie dla przechowywania metanu?

Odpowiedź wydaje się brzmieć: tak. Naukowcy aktywnie badają wykorzystanie materiałów porowatych do adsorpcji i przechowywania metanu, rozwiązanie, które daje ogromne nadzieje. Ten artykuł analizuje wyzwania związane z przechowywaniem metanu i to, jak materiały porowate mogą utorować drogę do czystszej przyszłości energetycznej.

Benzyna, dominujące paliwo w transporcie dzisiaj, generuje znaczne zanieczyszczenia podczas spalania i parowania, w tym tlenki azotu, tlenki siarki, tlenek węgla i śladowe ilości związków rakotwórczych. Zanieczyszczenia te nie tylko zagrażają zdrowiu ludzkiemu, ale także pogłębiają degradację środowiska. W konsekwencji poszukiwanie czystych, wydajnych alternatywnych źródeł energii stało się pilne. Gaz ziemny, a w szczególności metan, jawi się jako idealny substytut ze względu na swoje ogromne zasoby, niski koszt i stosunkowo niższą emisję dwutlenku węgla podczas spalania.

Jednak wykorzystanie metanu nie jest prostym zadaniem. Przy ekstremalnie niskiej temperaturze krytycznej (191 K) i wysokim ciśnieniu krytycznym (46,6 bar), metan opiera się skraplaniu w temperaturze otoczenia, dramatycznie zwiększając koszty transportu. Dlatego znalezienie ekonomicznych i skutecznych metod przechowywania staje się kluczowe dla powszechnego przyjęcia gazu ziemnego.

Aby pokonać wyzwania związane z przechowywaniem metanu, naukowcy opracowali wiele podejść, z których trzy główne metody wyróżniają się:

• Skroplony gaz ziemny (LNG): Metan jest schładzany do ekstremalnie niskich temperatur (około 112 K) w celu przechowywania. Chociaż metoda ta znacznie zmniejsza objętość, wymaga złożonych kriogenicznych systemów chłodzenia i wiąże się z wysokimi kosztami.
• Sprężony gaz ziemny (CNG): Metan jest przechowywany pod wysokim ciśnieniem (około 200 bar). Podejście to jest stosunkowo proste, ale wymaga pojemników wysokociśnieniowych i wielostopniowych sprężarek, co zwiększa zarówno koszty sprzętu, jak i ryzyko bezpieczeństwa.
• Adsorbowany gaz ziemny (ANG): Materiały porowate, takie jak metaloorganiczne szkielety (MOF) i kowalencyjne szkielety organiczne (COF), są wykorzystywane do adsorpcji metanu w celu przechowywania. Metoda ta działa przy niższych ciśnieniach (1-300 bar) i temperaturach (7-298 K) bez konieczności dodatkowego nakładu energii, co czyni ją bardzo obiecującym rozwiązaniem.

W porównaniu do CNG, który wymaga drogich wielostopniowych sprężarek i ciężkich zbiorników wysokociśnieniowych, oraz LNG, który zależy od złożonych systemów kriogenicznych, przechowywanie ANG z wykorzystaniem materiałów porowatych wydaje się być najbardziej realnym rozwiązaniem krótkoterminowym. Działa w rozsądnych warunkach ciśnienia i temperatury bez dodatkowych wymagań energetycznych, oferując większą opłacalność ekonomiczną.

Metaloorganiczne szkielety (MOF) to krystaliczne materiały porowate składające się z jonów metali i organicznych linkerów, które tworzą periodyczne struktury sieciowe. Materiały te charakteryzują się ultra-wysokimi powierzchniami, regulowanymi rozmiarami i strukturami porów oraz łatwą funkcjonalizacją, co czyni je bardzo wszechstronnymi w zastosowaniach w zakresie przechowywania gazu, separacji i katalizy.

Interakcja między MOF a metanem jest umiarkowana, umożliwiając przechowywanie metanu w temperaturze pokojowej i przy stosunkowo wysokich ciśnieniach. Oznacza to, że skuteczne przechowywanie metanu można osiągnąć w warunkach zbliżonych do otoczenia, zmniejszając zużycie energii i koszty sprzętu.

W 2015 roku Eddaoudi i współpracownicy zgłosili materiał MOF o nazwie Alsoc-MOF-1 do przechowywania metanu. W temperaturze 298 K i ciśnieniu 65 bar wykazał całkowitą zdolność adsorpcji metanu na poziomie 0,42 g/g i zdolność roboczą (5-65 bar) na poziomie 0,37 g/g, co wskazuje na silne działanie w zakresie przechowywania metanu.

Ogólnie rzecz biorąc, opracowywanie MOF o odpowiednich rozmiarach porów i włączanie grup funkcyjnych lub miejsc może zwiększyć ich objętościową pojemność metanu. Dodatkowo, MOF o większych objętościach porów i powierzchniach mają tendencję do wykazywania wyższych grawimetrycznych pojemności metanu. Sugeruje to, że poprzez staranne projektowanie i syntezę MOF o określonych strukturach i funkcjonalnościach, ich możliwości przechowywania metanu można dodatkowo poprawić.

Kowalencyjne szkielety organiczne (COF) to krystaliczne materiały porowate zbudowane z lekkich pierwiastków (takich jak B, C, O, H i Si) połączonych silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Podobnie jak MOF, COF charakteryzują się wysokimi powierzchniami, dużymi objętościami porów i regulowanymi strukturami porów. Co najważniejsze, COF posiadają ekstremalnie niskie gęstości, plasując się wśród najmniej gęstych znanych materiałów krystalicznych (nawet 0,17 g/cm³). Daje to COF unikalną przewagę w przechowywaniu gazu, szczególnie w zastosowaniach, w których lekkie materiały są niezbędne.

Ogólnie rzecz biorąc, trójwymiarowe (3D) COF przewyższają dwuwymiarowe (2D) COF w adsorpcji metanu ze względu na bardziej złożone struktury porów i większe objętości porów, które zapewniają więcej miejsc adsorpcji metanu.

Na przykład, 3D COF-102 ma objętość porów 1,55 cm³/g, podczas gdy COF-103 ma 1,54 cm³/g. W warunkach 35 bar i 298 K wykazują one wysokociśnieniowe zdolności adsorpcji metanu na poziomie odpowiednio 187 mg/g (18,7% wag.) i 175 mg/g (17,5% wag.) – najwyższe wśród COF. Z kolei 2D COF-5, o objętości porów 1,07 cm³/g, wykazuje zdolność adsorpcji metanu na poziomie 89 mg/g (8,9% wag.) w tych samych warunkach, najwyższą wśród 2D COF.

Odkrycia te podkreślają znaczący potencjał COF w zakresie przechowywania metanu, szczególnie w warunkach wysokiego ciśnienia. Projektując i syntetyzując COF o określonych strukturach porów i funkcjonalnościach, ich możliwości przechowywania metanu można dodatkowo zwiększyć do zastosowań praktycznych.

• Zwiększanie zdolności adsorpcji: Chociaż istniejące MOF i COF wykazują znaczną adsorpcję metanu, istnieje znaczne pole do ulepszeń. Przyszłe badania powinny koncentrować się na projektowaniu materiałów o wyższych powierzchniach, większych objętościach porów i silniejszym powinowactwie do metanu.
• Poprawa stabilności: Niektóre MOF i COF są podatne na rozkład w wilgotnym lub kwaśnym środowisku, co ogranicza ich praktyczne zastosowania. Opracowanie materiałów o większej stabilności chemicznej i termicznej jest niezbędne.
• Obniżanie kosztów: Obecne koszty syntezy MOF i COF pozostają stosunkowo wysokie, co utrudnia ich wdrażanie na dużą skalę. Należy zbadać bardziej ekonomiczne i wydajne metody syntezy.

Pomimo tych wyzwań, ciągły postęp w nauce i technologii sugeruje, że MOF i COF będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w przechowywaniu metanu. Mogą stać się kluczowymi elementami w przyszłych systemach czystej energii, przyczyniając się do zrównoważonego rozwoju.

Metan jest czystym, wydajnym alternatywnym źródłem energii o ogromnym potencjale. Jednak wyzwania związane z przechowywaniem i transportem nadal istnieją. Wykorzystanie materiałów porowatych, takich jak MOF i COF, do adsorpcji metanu stanowi bardzo obiecujące rozwiązanie. Dzięki ciągłym badaniom i rozwojowi można pokonać istniejące przeszkody, umożliwiając wydajne przechowywanie i wykorzystanie metanu – kluczowy krok w kierunku czystszej, bardziej zrównoważonej przyszłości energetycznej.