Materiais Porosos Avançam o Armazenamento de Metano Além dos Métodos Convencionais

Imagine um futuro em que os veículos não dependem mais de gasolina poluente, mas sim de gás natural limpo e eficiente.Esta mudança poderá reduzir significativamente as emissões de gases com efeito de estufa e melhorar a qualidade do arO principal componente do gás natural, o metano, é abundante e produz menos dióxido de carbono quando queimado em comparação com outros combustíveis fósseis.O armazenamento e o transporte de metano apresentam desafios significativosO sistema de armazenagem de metano é um sistema de armazenagem de metano, que é muito mais económico e conveniente.

Os cientistas estão explorando ativamente o uso de materiais porosos para adsorver e armazenar metano, uma solução que se mostra tremendamente promissora.Este artigo examina os desafios do armazenamento de metano e como os materiais porosos podem abrir caminho para um futuro de energia mais limpa.

A gasolina, o combustível dominante no transporte atual, gera poluentes substanciais durante a combustão e a evaporação, incluindo óxidos de azoto, óxidos de enxofre, monóxido de carbono,e traços de substâncias químicas cancerígenasEstes poluentes não só ameaçam a saúde humana, mas também agravam a degradação do ambiente.Gás natural, em particular o metano, surge como um substituto ideal devido às suas vastas reservas, baixo custo e emissões relativamente mais baixas de dióxido de carbono quando queimado.

No entanto, a utilização de metano não é uma tarefa simples. Com uma temperatura crítica extremamente baixa (191 K) e uma pressão crítica elevada (46,6 bar), o metano resiste à liquefação a temperaturas ambientais,aumento dramático dos custos de transporteAssim, encontrar métodos de armazenamento económicos e eficazes torna-se crucial para a adopção generalizada do gás natural.

Para superar os desafios do armazenamento de metano, os pesquisadores desenvolveram várias abordagens, com três métodos principais:

• Gás natural liquefeito (GNL):O metano é resfriado a temperaturas extremamente baixas (aproximadamente 112 K) para armazenamento.Requer sistemas complexos de arrefecimento criogénico e vem com custos elevados.
• Gás natural comprimido (GNC):O metano é armazenado sob alta pressão (cerca de 200 bar).Aumentar os custos dos equipamentos e os riscos de segurança.
• Gás natural adsorvido (NG):Os materiais porosos, tais como estruturas metal-orgânicas (MOFs) e estruturas orgânicas covalentes (COFs), são usados para adsorver o metano para armazenamento.Este método funciona a pressões mais baixas (1-300 bar) e temperaturas (7-298 K) sem exigir entrada de energia adicional, tornando-a uma solução muito promissora.

Em comparação com o GNC, que requer compressores multifásicos caros e pesados tanques de alta pressão, e o GNL, que depende de sistemas criogénicos complexos,O armazenamento de ANG utilizando materiais porosos parece ser a solução mais viável a curto prazoFunciona em condições de pressão e temperatura razoáveis, sem exigências de energia adicionais, oferecendo maior viabilidade económica.

As estruturas metal-orgânicas (MOFs) são materiais porosos cristalinos compostos por íons metálicos e ligadores orgânicos que formam estruturas de rede periódicas.dimensões e estruturas dos poros ajustáveis, e fácil funcionalidade, tornando-os altamente versáteis para aplicações em armazenamento de gás, separação e catálise.

A interação entre MOFs e metano é moderada, permitindo o armazenamento de metano à temperatura ambiente e pressões relativamente altas.Isto significa que o armazenamento eficaz de metano pode ser alcançado em condições próximas do ambiente., reduzindo o consumo de energia e os custos dos equipamentos.

Em 2015, Eddaoudi e colegas relataram um material MOF chamado Alsoc-MOF-1 para armazenamento de metano.42 g/g e uma capacidade de trabalho (5-65 bar) de 0.37 g/g, indicando um elevado desempenho de armazenamento de metano.

Em geral, o desenvolvimento de MOFs com tamanhos de poro adequados e a incorporação de grupos ou locais funcionais pode melhorar a sua capacidade volumétrica de metano.MOFs com maiores volumes de poros e áreas de superfície tendem a exibir maiores capacidades de metano gravimétricoIsto sugere que, através de um design cuidadoso e da síntese de MOFs com estruturas e funcionalidades específicas, as suas capacidades de armazenamento de metano podem ser melhoradas.

Estruturas orgânicas covalentes (COFs) são materiais porosos cristalinos construídos a partir de elementos leves (como B, C, O, H e Si) conectados por fortes ligações covalentes.Os COFs apresentam grandes superfíciesOs COFs possuem densidades extremamente baixas, classificando-se entre os materiais cristalinos menos densos conhecidos (até 0,17 g/cm3).Isto dá aos COFs uma vantagem única no armazenamento de gás, especialmente em aplicações em que os materiais leves são essenciais.

Geralmente, os COF tridimensionais (3D) superam os COF bidimensionais (2D) na adsorção de metano devido às suas estruturas porosas mais complexas e aos seus volumes de poros maiores,que proporcionam mais locais de adsorção de metano.

Por exemplo, o 3D COF-102 tem um volume de poro de 1,55 cm3/g, enquanto o COF-103 tem 1,54 cm3/g. Sob condições de 35 bar e 298 K, eles exibem capacidades de adsorção de metano de alta pressão de 187 mg/g (18.7%) e 175 mg/g (17Em contrapartida, o 2D COF-5, com um volume de poro de 1,07 cm3/g, apresenta uma capacidade de adsorção de metano de 89 mg/g (8,9 wt%) nas mesmas condições,o mais elevado entre os COF 2D.

Estes resultados destacam o potencial significativo dos COF para o armazenamento de metano, em especial em condições de alta pressão.Ao conceber e sintetizar COFs com estruturas porosas e funcionalidades específicas, as suas capacidades de armazenamento de metano podem ser ainda melhoradas para aplicações práticas.

• Aumentar a capacidade de adsorção:Embora os MOFs e COFs existentes demonstrem uma notável adsorção de metano, há espaço considerável para melhorias.volumes de poros maiores, e afinidade de metano mais forte.
• Melhoria da estabilidade:Alguns MOFs e COFs são propensos a se decompor em ambientes úmidos ou ácidos, limitando suas aplicações práticas.
• Reduzir custos:Os custos actuais de síntese dos MOF e dos COF continuam relativamente elevados, impedindo a sua adopção em larga escala.

Apesar destes desafios, os progressos contínuos da ciência e da tecnologia sugerem que os MOF e os COF desempenharão um papel cada vez mais vital no armazenamento de metano.Podem tornar-se componentes-chave dos futuros sistemas de energia limpa, contribuindo para o desenvolvimento sustentável.

O metano é uma fonte de energia alternativa limpa e eficiente com um vasto potencial.Usando materiais porosos como MOFs e COFs para adsorver o metano apresenta uma solução muito promissoraAtravés da investigação e desenvolvimento em curso, os obstáculos existentes podem ser superados, permitindo um armazenamento e utilização eficientes de metano, um passo crucial rumo a um futuro energético mais limpo e sustentável.