Uma equipe de pesquisa liderada pela Northwestern University projetou e sintetizou novos materiais com ultra alta porosidade e área de superfície para o armazenamento de hidrogênio e metano para veículos movidos a células de combustível. Esses gases são alternativas atraentes de energia limpa aos combustíveis fósseis produtores de dióxido de carbono.

Os materiais do designer, um tipo de estrutura metal-orgânica (MOF), pode armazenar significativamente mais hidrogênio e metano do que os materiais adsorventes convencionais a pressões muito mais seguras e a custos muito mais baixos.

"Desenvolvemos um método melhor de armazenamento a bordo para hidrogênio e gás metano para veículos de energia limpa de próxima geração, "disse Omar K. Farha, quem liderou a pesquisa. "Para fazer isso, usamos princípios químicos para projetar materiais porosos com arranjo atômico preciso, alcançando assim uma porosidade ultra-alta. "

Adsorventes são sólidos porosos que ligam moléculas líquidas ou gasosas à sua superfície. Graças a seus poros nanoscópicos, uma amostra de um grama do material do Noroeste (com um volume de seis M &Ms) tem uma área de superfície que cobriria 1,3 campos de futebol.

Os novos materiais também podem ser um avanço para a indústria de armazenamento de gás em geral, Farha disse, porque muitas indústrias e aplicações exigem o uso de gases comprimidos, como oxigênio, hidrogênio, metano e outros.

Farha é professora associada de química no Weinberg College of Arts and Sciences. Ele também é membro do Instituto Internacional de Nanotecnologia da Northwestern.

O estudo, combinando experimento e simulação molecular, será publicado no dia 17 de abril pela revista Ciência .

Farha é o autor principal e correspondente. Zhijie Chen, um pós-doutorado no grupo de Farha, é co-primeiro autor. Penghao Li, um pós-doutorado no laboratório de Sir Fraser Stoddart, Professor de Química do Conselho de Curadores da Northwestern, também é um co-primeiro autor. Stoddart é um autor do jornal.

Os MOFs ultraporous, denominado NU-1501, são construídos a partir de moléculas orgânicas e íons de metal ou clusters que se auto-montam para formar multidimensionais, altamente cristalino, estruturas porosas. Para imaginar a estrutura de um MOF, Farha disse, imagine um conjunto de Tinkertoys em que os íons de metal ou aglomerados são os nós circulares ou quadrados e as moléculas orgânicas são as hastes que mantêm os nós juntos.

Os veículos movidos a hidrogênio e metano atualmente requerem compressão de alta pressão para operar. A pressão de um tanque de hidrogênio é 300 vezes maior do que a pressão dos pneus de um carro. Por causa da baixa densidade do hidrogênio, é caro realizar essa pressão, e também pode ser inseguro porque o gás é altamente inflamável.

O desenvolvimento de novos materiais adsorventes que podem armazenar hidrogênio e gás metano a bordo de veículos a pressões muito mais baixas pode ajudar cientistas e engenheiros a atingir as metas do Departamento de Energia dos EUA para o desenvolvimento da próxima geração de automóveis de energia limpa.

Para cumprir esses objetivos, o tamanho e o peso do tanque de combustível de bordo precisam ser otimizados. Os materiais altamente porosos neste estudo equilibram as capacidades de entrega volumétrica (tamanho) e gravimétrica (massa) de hidrogênio e metano, trazendo os pesquisadores um passo mais perto de atingir essas metas.

"Podemos armazenar enormes quantidades de hidrogênio e metano dentro dos poros dos MOFs e entregá-los ao motor do veículo a pressões mais baixas do que as necessárias para os veículos com células de combustível atuais, "Farha disse.

Os pesquisadores da Northwestern conceberam a ideia de seus MOFs e, em colaboração com modeladores computacionais da Colorado School of Mines, confirmou que esta classe de materiais é muito intrigante. Farha e sua equipe projetaram, sintetizou e caracterizou os materiais. Eles também colaboraram com cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) para conduzir experimentos de sorção de gás de alta pressão.

O título do artigo é "Equilibrando a absorção volumétrica e gravimétrica em materiais altamente porosos para obter energia limpa."