À medida que o mundo volta sua atenção para os veículos elétricos como substitutos para carros e caminhões movidos a gás, alguns veículos, como caminhões e aviões de longo curso, precisarão de uma ponte entre o gás e o elétrico.
O gás natural pode ser uma alternativa viável. É amplamente disponível e queima mais limpa do que a gasolina. Existem até kits de conversão já disponíveis para permitir que seus carros de passeio ou caminhões de longo curso funcionem com gás natural, diz Adam Matzger, professor de química da Universidade de Michigan.

"O gás natural está em toda parte e é visto como uma espécie de trampolim da gasolina para a eletricidade ou o hidrogênio", disse ele. "O principal problema com isso é o armazenamento. O custo é bom. A distribuição é boa. O armazenamento é o problema."

Matzger, que estuda um material chamado estruturas metal-orgânicas (MOFs), pensou que elas podem ter um potencial inexplorado para armazenar metano, o maior componente do gás natural.

MOFs são estruturas rígidas e porosas compostas de metais ligados por ligantes orgânicos. O metano pode ser armazenado dentro de um MOF através de um processo chamado adsorção. Na adsorção, as moléculas de uma substância aderem à superfície de um material tornando possível o armazenamento a baixas pressões.

Matzger trabalhou com Alauddin Ahmed, pesquisador assistente em engenharia mecânica da Faculdade de Engenharia da U-M, para escanear quase um milhão de MOFs que já foram desenvolvidos para encontrar materiais que possam ter as características certas para armazenar metano. Eles encontraram dois que não haviam sido testados anteriormente, um dos quais foi coincidentemente criado no laboratório de Matzger. Seus resultados são publicados em Angewandte Chemie , uma revista da Sociedade Alemã de Química.

O problema com o gás natural é que ele precisa ser armazenado sob pressão muito alta, ou cerca de 700 vezes a pressão atmosférica. Armazenar gás natural sob esse tipo de pressão requer equipamentos especializados e uma grande quantidade de energia.

"Há uma outra pequena ruga, que é se você realmente vai usá-lo em um veículo, você não vai tirar da alta pressão e reduzi-lo a zero", disse Matzger. "Porque quando a pressão fica muito baixa, você não pode operar o motor do veículo. Então você realmente precisa olhar para a capacidade utilizável."

Para tornar o metano utilizável, os cientistas precisavam descobrir o melhor material que armazenaria o metano a uma pressão mais baixa e o levaria ao nível de pressão necessário para o motor do veículo. Isso significava alternar entre 80 vezes a pressão atmosférica e cerca de cinco vezes a pressão atmosférica.

“A ideia é ter um adsorvente em um tanque, você pode armazenar mais metano em pressões mais baixas do que sem o absorvente, porque ajuda a manter o metano em pressões mais baixas”, disse Matzger. "Então, o problema se resume a escolher um adsorvente, e é aí que a teoria realmente veio em socorro."

O cientista assistente de pesquisa Ahmed é especializado no desenvolvimento de algoritmos para prever propriedades de compostos químicos e materiais nanoporosos - materiais como MOFs que têm a capacidade de armazenar moléculas - e usar triagem computacional para identificar materiais nanoporosos específicos. Ele desenvolveu um método para rastrear um banco de dados mestre dos 1.000.000 MOFs que compilou de 21 bancos de dados diferentes.

"A importância desse material é porque, do ponto de vista químico, você pode projetar um número infinito desses MOFs", disse Ahmed. "Então a questão é, se o número é infinito, como você encontra um bom material? É como encontrar uma agulha no palheiro - na verdade, é mais difícil do que isso."

Ahmed usou dois métodos diferentes para rastrear duas classes diferentes de MOFs. Uma classe de MOFs tem o que é chamado de sítio metálico fechado. Descobriu-se que outra classe de MOFs tinha um sítio de metal aberto, mas apenas uma vez que os pesquisadores limparam computacionalmente as moléculas de água de dentro da estrutura desses MOFs.

Os pesquisadores da U-M foram capazes de procurar MOFs com um sítio de metal aberto – mais convidativo para moléculas de metano – com base em um algoritmo desenvolvido por Don Siegel, professor de engenharia mecânica da Universidade do Texas.

"Anteriormente, quando os pesquisadores procuravam MOFs para armazenar metano, eles não separavam essas duas classes de MOFs", disse Ahmed. "A vantagem da nossa modelagem é que temos dois modelos separados. Separamos os compostos com sítios metálicos fechados daqueles com sítios metálicos abertos, que têm maior afinidade por essas moléculas de metano."

A equipe descobriu três MOFs que funcionariam bem para armazenar metano, um dos quais o laboratório de Matzger havia desenvolvido coincidentemente. O colega de pós-doutorado Karabi Nath foi capaz de sintetizar os materiais com alta área de superfície e descobriu que suas capacidades experimentais de metano correspondiam ao que a teoria havia previsto. Os MOFs – UTSA-76, UMCM-152 e DUT-23-Cu – funcionam bem porque têm muitos poros pequenos que podem atrair moléculas de gás para dentro.

Matzger imagina um tanque dentro de um caminhão cheio desses MOFs. Atualmente, carros e caminhões convertidos para funcionar com gás natural usam tanques caros projetados para armazenar gás abaixo de 10.000 libras por polegada quadrada, ou PSI. Em vez disso, os motoristas podem usar um tanque de pressão mais baixo preenchido com UMCM-152 ou um dos outros dois MOFs identificados.

"O que diferencia este estudo é que estabelecemos o recorde de armazenamento de metano. Esses MOFs são melhores do que qualquer outro material de armazenamento de metano identificado anteriormente, e isso nos ajuda a descobrir se estamos chegando perto de um sistema prático " disse Matzger.

"Mas o que continua me fazendo rir é que um dos MOFs ideais estava bem debaixo de nossos narizes e não sabíamos disso. É aí que a teoria, sem dúvida, nos colocou na direção certa." + Explorar mais

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