科學家打造出最佳車載燃氣儲存的新材料,有助次世代潔淨能源汽車發展

作者 | 發布日期 2020 年 04 月 20 日 8:15 | 分類 尖端科技 , 材料 , 汽車科技 Telegram share ! follow us in feedly


由美國西北大學(Northwestern University)領導的研究團隊開發設計並合成一種新型材料,具超高孔隙率和表面積,適合燃料電池汽車儲存氫氣和甲烷之用。這些氣體是極具吸引力的潔淨能源,可替代會產生二氧化碳的石化燃料。

與傳統的吸附材料(Adsorbents)相比,這種設計材料是一種金屬有機骨架(Metal-Organic Framework,MOF)材料,能以更安全的壓力和更低的成本儲存更多的氫氣和甲烷。「我們已為下一代潔淨能源汽車開發了更好的氫氣和甲烷氣體車載儲存方法,」這項研究的負責人 Omar K. Farha 表示:「為此,我們透過化學原理設計了具有精確原子排列的多孔材料,進而實現了超高孔隙率。」

新型材料具備超高孔隙率,6 顆 M&M 巧克力大小的材料可覆蓋 1.3 座足球場

吸附材料是將液體或氣體分子吸附在表面的多孔固體。拜奈米級孔隙之賜,1 克西北大學材料樣品(體積約為 6 顆 M&M 巧克力豆)的表面積足以覆蓋 1.3 座足球場。

Farha 表示,這種新材料對於整個天然氣儲存產業也可能是一大突破,因為許多產業及應用都需要用到壓縮氣體,例如氧氣、氫氣、甲烷等氣體。Farha 是美國西大北學溫伯格文理學院(Weinberg College of Arts and Sciences)化學副教授。他也是西北大學國際奈米科技研究院的成員。這項結合實驗和分子模擬的研究在 4 月 17 日發表在《科學》期刊。

這種名為 NU-1501 的超多孔 MOF 材料由有機分子和金屬離子或團簇構建而成,其會自我組裝形成多維、高結晶度及多孔的骨架。Farha 指出,為了描繪 MOF 的結構,可以將其設想成一組 Tinkertoy 機械積木,其中金屬離子或團簇是圓形或方形節點,而有機分子則是將節點連接在一起的連桿。

兼顧車載燃油箱尺寸和重量的最佳化,實現氫氣和甲烷大量儲存與低壓輸送目標

目前,以氫氣和甲烷為動力的汽車需要藉助高壓壓縮機制才能運行。氫氣罐的壓力要比汽車輪胎壓力大 300 倍。由於氫氣密度低,所以要達到這樣壓力的成本極高,且由於氣體高度易燃,所以也不安全。所以開發可在更低壓力下將氫氣和甲烷氣體儲存在車上的新型吸附材料,可幫助科學家和工程師達到美國能源部(Department of Energy,DOE)開發次世代潔淨能源汽車的目標。

為了實現這些目標,那麼車載燃油箱的尺寸和重量都需要最佳化。在這項研究中,多孔隙率材料平衡了氫氣和甲烷的體積(尺寸)和重量(質量),這使研究人員得以更進一步達成目標。「我們可在 MOF 的孔隙儲存大量氫氣和甲烷,並以比當前燃料電池汽車所需壓力更低的壓力輸送至汽車的發動機。」Farha 表示。

西北大學研究人員構想出 MOF 概念,並與科羅拉多礦業學院(Colorado School of Mines)運算建模人員合作,證實這類材料極具吸引力。接著,Farha 和團隊設計與合成這些材料的特性。他們還與美國國家標準技術研究院(NIST)的科學家合作進行了高壓氣體吸附實驗。

(首圖來源:西北大學