Пористые материалы способствуют накоплению метана сверх обычных методов

Представьте себе будущее, когда транспортные средства больше не будут использовать загрязняющий газ, а будут работать на чистом, эффективном природном газе.Этот сдвиг может значительно сократить выбросы парниковых газов и улучшить качество воздухаОсновной компонент природного газа, метан, обильный и производит меньше углекислого газа при сжигании по сравнению с другими ископаемыми видами топлива.хранение и транспортировка метана представляет собой значительные проблемыОн устойчив к сжиживанию при комнатной температуре, а хранение под высоким давлением сопряжено с значительными затратами.

Ученые активно исследуют возможность использования пористых материалов для адсорбции и хранения метана.В этой статье рассматриваются проблемы хранения метана и то, как пористые материалы могут проложить путь к более чистой энергии в будущем.

Бензин, доминирующее топливо в транспорте сегодня, генерирует значительные загрязнители во время сгорания и испарения, включая оксиды азота, оксиды серы, окись углерода,и следы канцерогенных химических веществЭти загрязняющие вещества не только угрожают здоровью человека, но и усугубляют ухудшение состояния окружающей среды.Природный газ, особенно метан, выступает в качестве идеальной замены из-за его обширных запасов, низкой стоимости и относительно низких выбросов углекислого газа при сжигании.

Однако использование метана не является простой задачей: при чрезвычайно низкой критической температуре (191 К) и высоком критическом давлении (46,6 бар) метан устойчив к сжиживанию при температуре окружающей среды.резко увеличивающие транспортные расходыТаким образом, поиск экономичных и эффективных методов хранения становится решающим для широкого внедрения природного газа.

Чтобы преодолеть проблемы с хранением метана, исследователи разработали несколько подходов, в которых выделяются три основных метода:

• Сжиженный природный газ (СПГ):Метан охлаждается до чрезвычайно низких температур (примерно 112 K) для хранения.Это требует сложных криогенных систем охлаждения и имеет высокие затраты..
• Сжатый природный газ (СПГ):Метан хранится под высоким давлением (около 200 бар).увеличение затрат на оборудование и рисков безопасности.
• Адсорбированный природный газ (ANG):Для адсорбции метана для хранения используются пористые материалы, такие как металлоорганические структуры (MOF) и ковалентные органические структуры (COF).Этот метод работает при более низких давлениях (1-300 бар) и температурах (7-298 K) без необходимости дополнительного ввода энергии, что делает его очень перспективным решением.

В сравнении с СНГ, который требует дорогостоящих многоступенчатых компрессоров и тяжелых высокоточных баков, и СПГ, который зависит от сложных криогенных систем,Хранение ANG с использованием пористых материалов, по-видимому, является наиболее жизнеспособным краткосрочным решениемОн работает при разумных условиях давления и температуры без дополнительных энергетических потребностей, предлагая большую экономическую целесообразность.

Металлоорганические структуры (MOF) - это кристаллические пористые материалы, состоящие из ионов металла и органических связующих элементов, которые образуют периодические сетевые структуры.настраиваемые размеры и структуры пор, и легкая функциональность, что делает их очень универсальными для применения в хранении газа, разделении и катализации.

Взаимодействие между MOF и метаном умерено, что позволяет хранить метан при комнатной температуре и относительно высоком давлении.Это означает, что эффективное хранение метана может быть достигнуто в условиях окружающей среды., снижая расходы на энергию и оборудование.

В 2015 году Эддауди и его коллеги сообщили о материале MOF под названием Alsoc-MOF-1 для хранения метана.42 г/г и рабочей мощностью (5-65 бар) 0.37 г/г, что указывает на высокую производительность хранения метана.

В целом, развитие MOF с соответствующими размерами пор и включением функциональных групп или мест может повысить их объемную метановую емкость.MOF с большим объемом пор и площадью поверхности, как правило, демонстрируют более высокие гравиметрические метановые емкостиЭто говорит о том, что путем тщательного проектирования и синтеза МОФ с конкретными структурами и функциями их способность к хранению метана может быть еще лучше.

Ковалентные органические структуры (COF) - это кристаллические пористые материалы, построенные из легких элементов (таких как B, C, O, H и Si), соединенных сильными ковалентными связями.КОФ имеют высокие поверхностиКрайне важно, что КОФ обладают чрезвычайно низкой плотностью, занимая одно из наименее плотных известных кристаллических материалов (до 0,17 г/см3).Это дает COF уникальное преимущество в хранении газа, особенно в применениях, где необходимы легкие материалы.

Как правило, трехмерные (3D) COF превосходят двухмерные (2D) COF в адсорбции метана из-за их более сложной структуры пор и большего объема пор.которые обеспечивают больше мест адсорбции метана.

Например, 3D COF-102 имеет объем поров 1,55 см3/г, в то время как COF-103 имеет 1,54 см3/г. При условии 35 бар и 298 K они демонстрируют высокое давление метанового адсорбции 187 мг/г (18.7 массовых процентов) и 175 мг/г (17Напротив, 2D COF-5, с объемом пор 1,07 см3/г, показывает способность к адсорбции метана 89 мг/г (8,9 мас.%) при тех же условиях.самый высокий среди 2-D COF.

Эти результаты подчеркивают значительный потенциал COF для хранения метана, особенно в условиях высокого давления.Проектируя и синтезируя COF со специфическими структурами пор и функциональностью, их способность к хранению метана может быть дополнительно улучшена для практических применений.

• Увеличение способности адсорбции:В то время как существующие MOF и COF демонстрируют заметную адсорбцию метана, существует значительное пространство для улучшения.большие объемы пор, и более сильное аффинентное отношение к метану.
• Улучшение стабильности:Некоторые MOF и COF склонны к разложению в влажной или кислой среде, что ограничивает их практическое применение.
• Сокращение расходов:Нынешние затраты на синтез MOF и COF остаются относительно высокими, что препятствует широкому внедрению.

Несмотря на эти проблемы, продолжающийся прогресс в науке и технике предполагает, что MOF и COF будут играть все более важную роль в хранении метана.Они могут стать ключевыми компонентами будущих систем чистой энергии, способствуя устойчивому развитию.

Метан является чистым, эффективным альтернативным источником энергии с огромным потенциалом.Использование пористых материалов, таких как MOF и COF, для адсорбции метана представляет собой очень перспективное решениеБлагодаря продолжающимся исследованиям и разработкам существующие препятствия могут быть преодолены, что позволит эффективно хранить и использовать метан, что является важным шагом на пути к более чистому и устойчивому энергетическому будущему.