1 gram malzeme 1.3 futbol sahasını kapsıyor! Ultra yüksek gözenekliliğe sahip harika malzeme ortaya çıkıyor | Röportaj
Hidrojen ve metan gibi enerji gazları, insanlar için anahtar ve çevre dostu enerji taşıyıcılarıdır. Bununla birlikte, bu tür gazın nasıl iyi saklanacağı, insanların kullanımını sınırlayan önemli bir darboğazdır.
Hidrojen ve metanı depolamanın ve taşımanın daha iyi bir yolunu bulmak için, dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları çok sayıda araştırma yaptı. Metal-organik çerçeveler (MOF'ler), son 20 yılda malzeme bilim adamlarının yoğun ilgisini çeken yeni bir organik-inorganik hibrit gözenekli malzemedir.
Kısa süre önce, Northwestern Üniversitesi liderliğindeki bir araştırma ekibi, geleneksel adsorban malzemelerle karşılaştırılabilen ultra yüksek gözenekliliğe ve yüzey alanına sahip yeni bir metal-organik çerçeve bileşiği (MOF) tasarladı ve sentezledi. Buna karşılık, daha güvenli bir basınç ve daha düşük maliyetle daha fazla hidrojen ve metan depolayabilir.
Northwestern Üniversitesi Kimya Bölümünde profesör olan Omar K. Farha, "Yeni nesil temiz enerji araçları için hidrojen ve metan gazı için daha iyi depolama yöntemleri geliştirdik." Dedi ve "Atomların dizilişini tasarlamak için kimyasal prensipler kullandık. Ultra yüksek gözeneklilik elde etmek için hassas gözenekli malzeme. "
Araştırma sonuçları 17 Nisan'da Science dergisinde yayınlandı. Omar Farha'nın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Chen Zhijie, makalenin ilk yazarı ve başka bir Northwestern Üniversitesi kimya profesörü ve kimya alanında 2016 Nobel Ödülü kazananlarından biriydi. Sir Fraser Stoddart'ın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Penghao Li ve Colorado Maden Okulu'ndan Ryther Anderson, makalenin ilk yazarlarıdır. Ayrıca üniversitelerden ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Bürosu gibi kurumlardan araştırmacılar da katıldı. DeepTech, Omar Farha ve Chen Zhijie ile röportaj yaptı.
Şekil | "Science" dergisinin resmi web sitesindeki araştırma makalesinin ekran görüntüsü (Kaynak: Science)
Neden hidrojen ve metan?
Yeni enerji endüstrisinde rüzgar enerjisi ve fotovoltaik enerji üretimi baskın güç ise, hidrojen enerjisi enerji sektörünün geleceğin yıldızıdır. Periyodik tabloya aşina olsanız da olmasanız da, hidrojenin ilk sırada olduğunu ve insanların bildiği en küçük atom olduğunu bilmelisiniz. Ama belki de, hidrojenin evrende hala en yaygın olarak dağılmış madde olduğunu bilmiyorsunuzdur, evrenin kütlesinin% 75'ini oluşturur ve ikincil bir enerji kaynağıdır.
Nükleer yakıtların yanı sıra hidrojenin yanma kalorifik değeri sıvılaştırılmış petrol gazının 2,5 katı, benzinin 3 katıdır ve çeşitli yakıtlar arasında ilk sırada yer almaktadır. En önemlisi, hidrojenin yanmasının karbondioksit üretmemesidir, yanması su üretir ve su elektrolizi, geri dönüştürülebilen temiz bir enerji olan hidrojen üretebilir. Bu nedenle, hidrojen gelecekte her zaman en ideal enerji taşıyıcılarından biri olarak görülmüştür.
Yeryüzünde metan, geniş depolama ve geniş kaynak avantajlarına sahiptir ve nispeten yüksek enerji yoğunluğuna ve temiz yanma ürünlerine sahiptir. Bu nedenle araç enerjisinde en avantajlı alternatif enerji kaynağı olarak kabul edilmektedir. Ancak ikisinin depolama ve nakliye zorlukları, bunların yaygın olarak kullanılmasını engelliyor.
Motorlu taşıtları örnek olarak ele alırsak, hidrojenle çalışan ve metanla çalışan araçların şu anda normal şekilde sürmek için yüksek basınç altında sıkıştırılması gerekiyor. Hidrojen deposunun basıncı, bir otomobil lastiğinin basıncının 300 katı olan 700 bar veya 10.000 Psi gerektirir. Ayrıca, düşük hidrojen yoğunluğu nedeniyle, bu basıncı tamamlamanın maliyeti çok yüksektir: hidrojenin yüksek yanıcılığına ek olarak, kullanımda gizli güvenlik tehlikeleri vardır.
Bu nedenle, yeni adsorban malzemelerin geliştirilmesi, hidrojen ve metan gazını arabalarda daha düşük basınç altında depolayabilir, bu da bilim adamlarının ve mühendislerin "yeni nesil temiz enerji araçları geliştirme" hedefine ulaşmalarına yardımcı olacaktır. Bu amaca ulaşmak için, yerleşik yakıt deposunun boyutu ve ağırlığının da optimize edilmesi gerekir. Bu çalışmada gözenekli malzeme, hidrojen ve metanın hacmini ve ağırlığını dengeleyerek araştırmacıları hedeflerine bir adım daha yaklaştırıyor.
Omar laboratuvarı tarafından geliştirilen MOF'lar, gözeneklerde büyük miktarda hidrojen ve metan depolayabilir ve bunları mevcut yakıt hücreli araçların gerektirdiğinden daha düşük bir basınçta otomobilin motoruna iletebilir.
"Adsorban malzeme, yüzeyinde sıvı veya gaz moleküllerini adsorbe eden gözenekli bir katıdır." Diye açıkladı Omar Farha. "Tasarladığımız MOF yapısı, özel nanogözeneklerinden kaynaklanıyor. Numune yaklaşık 6 şeker ağırlığındadır. Fasulye büyüklüğündeki yüzey alanı 1.3 futbol sahasını kaplayabilir. "
(Kaynak: DeepTech)
Gaz depolama endüstrisini değiştirebilecek bir çalışma
MOF malzemeleri, organik moleküller ve metal iyonlarından veya metal kümelerinden oluşur.Organik moleküller genellikle karbon, oksijen, nitrojen, fosfor ve çoğu aromatik karboksilik asit olan diğer elementleri içerir; kendi kendine montaj yoluyla çok boyutlu, oldukça kristal, gözenekli bir çerçeve oluştururlar. En eski prototipi Prusya mavisi gibi malzemelere kadar izlenebilir.
"MOF'un ne olduğunu hayal etmek istiyorsanız, onu bir Tinker Oyuncaklar seti (Lego ile aynı devre blokları) olarak düşünebilirsiniz." Omar, DeepTech'e, "Bunların arasında metal kümeler veya iyonlar yuvarlak veya kare bloklar olarak kabul edilebilir. Ve organik moleküller bağlantı çubuklarıdır. "
Omar'ın araştırma grubu, kimya ve malzeme bilimindeki heyecan verici problemleri çözmek için fonksiyonel materyallerin "atomik hassas konumlandırmasının" kullanımı üzerinde çalışıyor ve uygulama alanları enerji ve çevre ile ilgili alanları kapsıyor. Malzemelerin işlevini değiştirmede üç boyutlu yapının rolünü temelden anlamaya ve bunu gaz depolama ve ayırma, kataliz ve su kirliliği arıtmaya uygulamaya kararlıdırlar.
"Bu son araştırmada, geçmişe dayalı olarak NU-1500 adlı bir MOF sentezledik. NU'yu demir, alüminyum, krom veya skandiyum metal trimerleriyle birlikte oluşturmak için 6 organik bağlayıcı kullandık. -1500. "Omar, bu başlangıç malzemelerinin hepsinin iyi gaz adsorpsiyon özellikleri gösterdiğini söyledi. Bununla birlikte, gözenek boyutları ve hacimleri nispeten küçüktür ve bu da ağırlık performanslarını sınırlar.
Omar, "Daha önce çalıştığımız bu malzemelerin hacim emilimi ve ağırlık emilimi arasındaki ilişki, işbirlikçilerimizle iletişime geçmemize ilham verdi. Yapı ve özellikler arasındaki ilişkiyi MOF'a benzer şekilde hesaplayabilirler." Dedi.
Colorado Maden Okulu'ndan Ryther Anderson, benzer topolojilere, gözenek boyutlarına ve organik bağlantılara sahip birçok MOF'un gaz adsorpsiyon davranışını simüle etti. Omar'ın ekibi, yaptıkları çalışmada, daha önce hiç sentezlenmemiş ve ağırlık ve hacmi dengeleyen metan ve hidrojen için ideal bir gaz depolama performansına sahip olması beklenen yeni bir MOF türü keşfetti. Daha sonra laboratuvarda MOF sentezlediler ve farklı koşullar altında metan ve hidrojen için depolama kapasitesini ölçtüler.
Sir Fraser Stoddart'ın doktora sonrası araştırmacılarından Li Penghao, organik ligandların sentezinden sorumludur.Sir Fraser Stoddart ve diğer iki bilim adamının moleküler bir makine geliştirdiğini ve bunun için Nobel Kimya Ödülü'nü kazandığını belirtmek gerekir.Kimyanın gelişmesi için yeni bir yol açtı. dünya. Yeni malzemelerin, yeni sensörlerin ve enerji depolama sistemlerinin araştırılması ve geliştirilmesinde moleküler makineler kullanılmıştır.
Şekil | Ultra yüksek gözeneklilik ve yüzey alanına sahip organik-inorganik hibrit gözenekli malzeme (Kaynak: Timur Islamoglu ve Chen Zhijie)
Sentez yöntemi ile ilgili olarak Chen Zhijie, bu MOF'u hazırlamak için bir solvotermal sentez yöntemi kullandıklarını söyledi - metal tuzu ve organik bağlama maddesini kapalı bir kaba koyarak ve önceden ısıtılmış bir fırında pişirerek. "Materyal, ultra yüksek gözeneklilik ve yüzey alanlı MOF materyallerinin aktivasyonu için geliştirdiğimiz yaygın bir yöntem olan süper kritik karbondioksit ile aktive edilir" dedi.
Öyleyse, bu tür sihirli malzemenin kısa vadede büyük ölçekli üretim imkanı var mı? Bu bağlamda Omar, laboratuvarın mevcut araştırma odağının daha çok, insanların bu tür materyali akademik olarak temel anlayışını artırmaya ve yapı ile doğa arasındaki ilişkiye dair benzersiz bilgi tabanını geliştirmeye odaklandığını söyledi. "Bununla birlikte, ticari açıdan bakıldığında, bu özel MOF'un genişlemesi için en büyük malzeme maliyetinin organik ligandların sentezinden geldiğine inanıyoruz." Dedi, "çünkü metal trimerler ucuz ve zengindir. Alüminyum ve demir gibi metaller. Elbette, bir çözücü geri kazanım sistemi devreye sokulursa, sentez işlemindeki organik çözücülerin maliyeti büyük ölçüde azaltılabilir. "
Omar, bu malzemelerin gelecekte büyük ölçekte ticari olarak sentezlenebileceğine inanıyor. "Umarım bu araştırma önümüzdeki birkaç yıl içinde uygulamaya konabilir." Gireceği ilk alanın doğalgaz depolama endüstrisi olacağını düşünüyorum. Aslında bazı ION-X silindirlerini içeren ilgili teknolojiler zaten var. MOF'lar, nispeten düşük sıkıştırma basınçlarına sahip toksik gazların depolanması için ticari uygulamalarda kullanılır. "
Ona göre, MOF malzemelerinin getirdiği güvenlik optimizasyonuna güvenmek, gaz depolama, nakliye ve nakliye yöntemlerini değiştirecektir. Omar, "Bu, tüm gaz depolama endüstrisini değiştirebilecek bir çalışma." Dedi.
Ana araştırmacıların tanıtımı ve makalenin ilk yazarı
Resim | Solda Dr. Chen Zhijie; Sağda Dr. Penghao Li (Kaynak: I)
Chen Zhijie, şu anda Northwestern Üniversitesi Omar Farha'nın laboratuvarında Kimya Bölümü'nde doktora sonrası araştırma yapıyor. 2008 yılında Şangay Jiaotong Üniversitesi Kimya ve Kimya Mühendisliği Fakültesi'ne girdi ve 2012'de lisanstan mezun olduktan sonra, doktora eğitimi için Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'ne (KAUST) gitti. Doktora derecesini 2018 yılında aldıktan sonra, şimdiye kadar Northwestern Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmalar yapmaktadır.
Araştırma yönü esas olarak çerçeve malzemelerinin kontrol edilebilir hazırlanması ve fonksiyonel kumaş yüklü kompozit malzemelerin performans araştırması ve ultra yüksek spesifik yüzey alanı gözenekli malzemelerin sentezi ve hidrojen metan depolaması, havada su emilimi ve sinir bozunması için kullanımdır. Toksin yüklü MOF'ler / polimer kompozit malzemeler alanında ve ayrıca MOF'lerin kusurları ve gelişimi alanında bazı etkili akademik başarılar elde edilmiştir.
Diğer ilk yazar Li Penghao, aynı zamanda Northwestern Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacıdır ve Nobel Ödülü sahibi Sir J. Fraser Stoddart ile birlikte çalışmaktadır. Nankai Üniversitesi Kimya Bölümünde 2007-2011 yılları arasında lisans eğitimi aldı ve ardından sırasıyla Boston Üniversitesi ve Oregon Üniversitesi'nden bir yüksek lisans ve doktora derecesi aldı.
Ağustos 2017'den günümüze, Northwestern Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmalarla uğraşmaktadır.Ana araştırma konuları, organik gözenekli materyallerin sentezi, topoloji araştırması ve karakterizasyonudur.
