Kjemikere finne bedre måte å pakke naturgass i drivstofftanker
en ny og innovativ måte å lagre metan kan fremskynde utviklingen av naturgassdrevne biler som ikke krever høyt trykk eller kalde temperaturer i dagens komprimerte eller flytende naturgassbiler.
Fleksible Mof-er gjennomgår en dramatisk strukturell endring når de adsorberer metan, og går raskt fra et ikke-porøst til et svært porøst materiale. Denne animerte gif viser en pore av materialet. Jarad Mason grafisk.
Naturgass brenner renere enn bensin, og i Dag er det mer enn 150.000 komprimerte naturgass (CNG) kjøretøy på veien i Usa, de fleste av dem lastebiler og busser. Men inntil produsenter kan finne en måte å pakke mer metan inn i en tank ved lavere trykk og temperaturer, noe som gir større kjøreområde og mindre stress på pumpen, er det lite sannsynlig at personbiler vil ta i bruk naturgass som drivstoff.
uc Berkeley kjemikere har nå utviklet et porøst og fleksibelt materiale-et såkalt metall-organisk rammeverk (mof) – for lagring av metan som løser disse problemene. Den fleksible MOF kollapser når metanet ekstraheres for å kjøre motoren, men utvides når metan pumpes inn med bare moderat trykk, innenfor området produsert av en hjemmekompressor.
«du kan potensielt fylle opp hjemme,» sa Jeffrey Long, en UC Berkeley professor i kjemi som ledet prosjektet.
den fleksible MOF kan lastes med metan, hovedbestanddelen av naturgass, ved 35 til 65 ganger atmosfærisk trykk (500-900 psi), mens komprimerte naturgass (CNG) kjøretøy komprimerer naturgass til en tom tank under 250 atmosfærer (3,600 psi).
flytende naturgass (LNG) kjøretøy opererer ved lavere trykk, men krever betydelig isolasjon i tanksystemet for å opprettholde naturgassen på minus-162 grader Celsius (minus-260 grader Fahrenheit) slik at den forblir flytende.
Next-gen ng vehicles
Long sa at neste generasjons naturgassbiler vil kreve et materiale som binder metan og pakker det tettere inn i drivstofftanken, noe som gir et større driving range. Et av de store problemene har vært å finne et materiale som absorberer metan ved et relativt lavt trykk, for eksempel 35 atmosfærer, men gir alt opp ved et trykk der motoren kan operere, mellom 5 og 6 atmosfærer. MOFs, som har mye indre overflateareal for å adsorbere gasser-det vil si at gassmolekyler holder seg til de indre overflatene av porene-og lagrer dem ved høy tetthet, er et av de mest lovende materialene for adsorbert naturgass (ANG) lagring.
et tverrsnitt gjennom en fleksibel MOF viser hvordan den kjemiske strukturen skifter når metan absorberes. (Jarad Mason grafisk)
«Dette er et stort fremskritt både når det gjelder kapasitet og termisk styring,» Sa Long. «Med disse nye fleksible MOFs, kan du få til kapasiteter utover det som var tenkt mulig med stive MOFs.»
Blant de andre fordelene med fleksible MOFs, Sier Long, er at De ikke varmes opp så mye som andre metanabsorbenter, så det er mindre kjøling av drivstoffet som kreves.
» hvis du fyller en tank som har adsorbent, for eksempel aktivt kull, når metan binder det frigjør varme,» sa han. «Med vårt materiale går noe av den varmen inn i å endre materialets struktur, slik at du har mindre varme å spre, mindre varme å håndtere. Du trenger ikke å ha så mye kjøleteknologi forbundet med å fylle tanken din.»
det fleksible mof-materialet kan kanskje til og med plasseres inne i en ballonglignende pose som strekker seg for å imøtekomme den ekspanderende MOF som metan pumpes inn, slik at noe av varmen som avgis, går inn i å strekke posen.
Long og hans kolleger Ved National Institute Of Standards And Technology og I Europa vil publisere sine funn online Oktober. 26 i forkant av publisering I Tidsskriftet Nature.
Forbedring av naturgass om bord
Naturgass fra oljebrønner er et av de billigste og reneste fossile brenslene i dag, brukt mye til oppvarming av boliger, samt i produksjon og produksjon av elektrisitet. Det har ennå ikke blitt utbredt i transportsektoren, men på grunn av de dyre og store komprimerte drivstofftankene. I tillegg pakker bensin over tre ganger energitettheten per volum som naturgass, selv når den komprimeres til 3600 psi, noe som resulterer i naturgassbiler med kortere kjørerekkevidde per fylling.
For å fremme naturgasslagring, Gikk Ford Motor Company sammen MED Uc Berkeley på dette prosjektet, med finansiering fra Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA–E) FRA US Department of Energy. Ford er ledende INNEN CNG / propan-prepped biler med mer enn 57.000 solgt i USA siden 2009, mer enn alle andre store amerikanske bilprodusenter kombinert.
Ifølge Mike Veenstra, Fra Fords research and advanced engineering group i Dearborn, Michigan, anerkjente Ford At ANG har potensial til å redusere kostnadene for tanker, stasjonskompressorer og drivstoff sammen med å tjene til å øke naturgassdrevet kjøretøy driving range innenfor det begrensede lasterommet.
» Lagring Av Naturgass i porøse materialer gir den viktigste fordelen ved å kunne lagre betydelige mengder naturgass ved lave trykk enn komprimert gass under de samme forholdene,» sa Veenstra, hovedforsker av DETTE ARPA-e-prosjektet. «Fordelen med lavt trykk er fordelen det gir både ombord på kjøretøyet og off-board på stasjonen. I tillegg muliggjør lavtrykksapplikasjonen nye konsepter som tanker med reduserte veggtykkelser sammen med konformable konsepter som bidrar til å redusere behovet for å oppnå tilsvarende volumetrisk kapasitet av komprimert CNG ved høyt trykk.»
Lenge har vært å utforske MOFs som gass adsorbere for et tiår, i håp om å bruke dem til å fange karbondioksid slippes ut fra kraftverk eller lagre hydrogen i hydrogen-drevet kjøretøy, eller for å katalysere gassreaksjoner for industrien. I fjor viste IMIDLERTID EN studie av Uc Berkeleys Berend Smit at stive MOFs har begrenset kapasitet til å lagre metan. Long og graduate student Og første forfatter Jarad Mason i stedet slått til fleksible MOFs, å merke seg at de oppfører seg bedre når metan pumpes inn og ut.
de fleksible Mofene de testet er basert på kobolt og jernatomer spredt gjennom hele strukturen, med koblinger av benzendipyrazolat (bdp). Både kobolt (bdp) og jern (bdp) er svært porøse når de utvides, men krymper til i det vesentlige ingen porer når de kollapses.
Deres første eksperimenter på disse forbindelsene overgår allerede de teoretiske grensene for stive MOFs, Sa Long. Dette er en grunnleggende oppdagelse som nå trenger mye ingeniørarbeid for å finne ut hvordan man best kan dra nytte av disse nye adsorbentegenskapene.»
Han og hans kolleger utvikler nå også fleksible MOFs for å lagre hydrogen.
medforfattere VED Uc Berkeley Er Julia Oktawiec, Mercedes Taylor, Jonathan Bachman og Miguel Gonzalez. For å utføre strukturelle og termodynamiske studier av MOFs med og uten metan, samarbeidet teamet Med Matthew Hudson og Craig Brown fra NIST; Julien Rodriguez Og Philip Llewellyn Fra Aix-Marseille University I Frankrike; Antonio Cervellino Fra Paul Scherrer Institute I Villigen, Sveits; Og Antonietta Guagliardi og Norberto Masciocchi fra To.Sca.Lab i Como, Italia.
RELATERT informasjon
- Metanlagring i fleksible metall–organiske rammer Med egen termisk styring (Natur)
- Jeff Longs konsernnettsted
- Nytt materiale fanger karbon til halvparten av energikostnaden (Mars 2015)
- Nytt materiale kutter energikostnadene ved å skille gass for plast og drivstoff (Mars 2012)
- gjennombrudd I Å DESIGNE billigere, mer effektive katalysatorer for brenselceller (februar 2012)