Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một nhóm nghiên cứu của Đại học Tây Bắc đã thiết kế và tổng hợp các vật liệu mới có độ xốp và diện tích bề mặt cực cao để lưu trữ hydro và metan cho các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu. Các vật liệu, một loại khung hữu cơ kim loại (MOF), có thể lưu trữ nhiều hydro và metan hơn đáng kể so với các vật liệu hấp phụ thông thường ở áp suất an toàn hơn nhiều và với chi phí thấp hơn nhiều. Một mẫu vật liệu một gram (với thể tích sáu M & Ms) có diện tích bề mặt bao phủ 1,3 sân bóng đá.
Một nhóm nghiên cứu do Đại học Tây Bắc dẫn đầu đã thiết kế và tổng hợp các vật liệu mới có độ xốp cực cao và diện tích bề mặt để lưu trữ hydro và metan cho các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu. Những khí này là sự thay thế năng lượng sạch hấp dẫn cho nhiên liệu hóa thạch sản xuất carbon dioxide.
Các vật liệu thiết kế một loại khung hữu cơ kim loại (MOF) có thể lưu trữ nhiều hydro và metan hơn đáng kể so với các vật liệu hấp phụ thông thường ở áp suất an toàn hơn nhiều và với chi phí thấp hơn nhiều.
Omar K. Farha, người đứng đầu nghiên cứu chia sẻ: “Chúng tôi đã phát triển một phương pháp lưu trữ trên tàu tốt hơn cho khí hydro và khí mêtan cho các phương tiện năng lượng sạch thế hệ tiếp theo. Để làm điều này, chúng tôi đã sử dụng các nguyên tắc hóa học để thiết kế các vật liệu xốp với sự sắp xếp nguyên tử chính xác, do đó đạt được độ xốp siêu cao.”
Chất hấp phụ là chất rắn xốp liên kết các phân tử chất lỏng hoặc khí với bề mặt của chúng. Nhờ các lỗ nano, một mẫu vật liệu Tây Bắc một gram (với thể tích sáu M & Ms) có diện tích bề mặt bao phủ 1,3 sân bóng đá.
Các vật liệu mới cũng có thể là một bước đột phá cho ngành công nghiệp lưu trữ khí lớn bởi vì nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng yêu cầu sử dụng các loại khí nén như oxy, hydro, metan và các loại khác.
Farha là phó giáo sư hóa học tại Đại học Khoa học và Nghệ thuật Weinberg. Ông cũng là thành viên của Viện Công nghệ nano Quốc tế Tây Bắc.
Nghiên cứu kết hợp thí nghiệm và mô phỏng phân tử được công bố vào ngày 17 tháng 4 bởi tạp chí Science .
Farha là tác giả chính và tương ứng. Zhijie Chen, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm của Farha, là đồng tác giả đầu tiên và Penghao Li, một nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Sir Fraser Stoddart, Hội đồng quản trị của Giáo sư Hóa học tại Tây Bắc, cũng là đồng tác giả đầu tiên còn Stoddart là một tác giả trên giấy.
Các MOF siêu phức tạp có tên NU-1501 được chế tạo từ các phân tử hữu cơ và các ion hoặc cụm kim loại tự lắp ráp để tạo thành các khung xốp đa chiều, rất tinh thể, xốp. Để hình dung cấu trúc của MOF, hãy hình dung một bộ Tinkertoys trong đó các ion hoặc cụm kim loại là các nút tròn hoặc vuông và các phân tử hữu cơ là các thanh giữ các nút lại với nhau.
Các phương tiện chạy bằng hydro và metan hiện đang yêu cầu nén áp suất cao để hoạt động. Áp suất của bình hydro lớn hơn 300 lần so với áp suất trong lốp xe hơi. Do mật độ thấp của hydro nên rất tốn kém để thực hiện áp suất này, và nó cũng có thể không an toàn vì khí rất dễ cháy.
Phát triển các vật liệu hấp phụ mới có thể lưu trữ khí hydro và khí metan trên các phương tiện ở áp suất thấp hơn nhiều có thể giúp các nhà khoa học và kỹ sư đạt được các mục tiêu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ để phát triển thế hệ ô tô năng lượng sạch tiếp theo.
Để đáp ứng các mục tiêu này, cả kích thước và trọng lượng của bình nhiên liệu trên tàu cần phải được tối ưu hóa. Các vật liệu có độ xốp cao trong nghiên cứu này cân bằng cả khả năng cung cấp thể tích (kích thước) và khối lượng (khối lượng) của hydro và metan, đưa các nhà nghiên cứu tiến gần hơn tới việc đạt được các mục tiêu này.
Các nhà khoa học có thể lưu trữ một lượng lớn hydro và metan trong các lỗ của MOF và đưa chúng vào động cơ của phương tiện ở áp suất thấp hơn mức cần thiết cho các phương tiện pin nhiên liệu hiện tại.
Các nhà nghiên cứu Tây Bắc đã nghĩ ra ý tưởng về MOF của họ và, cùng với các nhà lập mô hình tính toán tại Trường Mỏ Colorado xác nhận rằng lớp vật liệu này rất hấp dẫn. Farha và nhóm của ông sau đó đã thiết kế, tổng hợp cũng như mô tả các vật liệu. Họ cũng hợp tác với các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) để tiến hành các thí nghiệm hấp thụ khí áp suất cao.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Tây Bắc . Bản gốc được viết bởi Megan Fellman. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :