Природный газ более экологически чистый, чем бензин, и сегодня в США на дорогах используется более 150 000 автомобилей, работающих на сжатом природном газе (СПГ), большинство из которых — грузовики и автобусы. Но до тех пор, пока производители не найдут способ залить больше метана в резервуар при более низких давлениях и температурах, что обеспечит больший запас хода и меньшее беспокойство при работе с насосом, легковые автомобили вряд ли будут использовать природный газ в качестве топлива.Химики Калифорнийского университета в Беркли разработали пористый и гибкий материал — так называемый металлоорганический каркас (MOF) — для хранения метана, который решает эти проблемы. Гибкий MOF сжимается, когда метан извлекается для работы двигателя, но расширяется, когда метан закачивается при умеренном давлении, в пределах диапазона, производимого домашним компрессором.
«Вы могли бы заправиться дома», — сказал Джеффри Лонг, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, который руководил проектом.Гибкий MOF может быть загружен метаном, основным ингредиентом природного газа, при давлении от 35 до 65 раз выше атмосферного (500-900 фунтов на кв. фунтов на квадратный дюйм).
Транспортные средства, работающие на сжиженном природном газе (СПГ), работают при более низком давлении, но требуют значительной изоляции в системе резервуаров, чтобы поддерживать природный газ при минус-162 градусах Цельсия (минус-260 градусов по Фаренгейту), чтобы он оставался жидким.
Автомобили нового поколения на природном газеЛонг сказал, что для автомобилей следующего поколения, работающих на природном газе, потребуется материал, который связывает метан и более плотно упаковывает его в топливный бак, обеспечивая больший запас хода. Одна из основных проблем заключалась в поиске материала, который адсорбирует метан при относительно низком давлении, таком как 35 атмосфер, но отказывается от всего этого при давлении, при котором двигатель может работать, от 5 до 6 атмосфер. MOF, у которых есть большая внутренняя поверхность для адсорбции газов и их хранения с высокой плотностью, являются одними из наиболее многообещающих материалов для хранения адсорбированного природного газа (ANG).
«Это большой шаг вперед как с точки зрения мощности, так и с точки зрения управления температурным режимом», — сказал Лонг. «С этими новыми гибкими MOF вы можете получить больше возможностей, чем считалось возможным с жесткими MOF».Среди других преимуществ гибких MOF, по словам Лонга, является то, что они не нагреваются так сильно, как другие поглотители метана, поэтому требуется меньше охлаждения топлива.«Если вы наполняете резервуар с адсорбентом, например активированным углем, при связывании метана выделяется тепло», — сказал он. «С нашим материалом часть этого тепла уходит на изменение структуры материала, поэтому у вас меньше тепла, которое нужно рассеивать, и меньше тепла, которым нужно управлять. Вам не нужно иметь столько охлаждающей технологии, связанной с заполнением вашего резервуара».
Гибкий материал MOF, возможно, можно было бы даже поместить внутрь мешка, похожего на воздушный шар, который растягивается для размещения расширяющегося MOF при закачивании метана, так что часть выделяемого тепла идет на растяжение мешка.
Лонг и его коллеги из Национального института стандартов и технологий и в Европе опубликуют свои выводы в Интернете 26 октября перед публикацией в журнале Nature.Улучшение хранения природного газа на бортуПриродный газ из нефтяных скважин — одно из самых дешевых и чистых ископаемых видов топлива на сегодняшний день, которое широко используется для отопления домов, а также на производстве и для производства электроэнергии.
Однако он еще не получил широкого распространения в транспортном секторе из-за дорогих и больших бортовых резервуаров для сжатого топлива. Кроме того, бензин обладает более чем трехкратной удельной энергоемкостью на единицу объема, чем природный газ, даже при сжатии до 3600 фунтов на квадратный дюйм, что приводит к автомобилям, работающим на природном газе, с более коротким запасом хода при заправке.В целях развития бортовых хранилищ природного газа Ford Motor Company объединилась с Калифорнийским университетом в Беркли для реализации этого проекта, финансируемого Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E).
Ford является лидером в области производства автомобилей с газом и пропаном: с 2009 года в США было продано более 57000 автомобилей, что больше, чем у всех других крупных американских автопроизводителей вместе взятых.По словам Майка Винстры из исследовательской и передовой инженерной группы Ford в Дирборне, штат Мичиган, компания Ford признала, что ANG может снизить стоимость бортовых резервуаров, станционных компрессоров и топлива, а также увеличить запас хода автомобилей, работающих на природном газе. в ограниченном грузовом пространстве.
«Хранение природного газа в пористых материалах обеспечивает ключевое преимущество возможности хранить значительные объемы природного газа при более низких давлениях, чем сжатый газ при тех же условиях», — сказал Винстра, главный исследователь этого проекта ARPA-E. «Преимущество низкого давления заключается в том, что оно обеспечивает как на борту транспортного средства, так и за его пределами на станции. Кроме того, применение низкого давления способствует появлению новых концепций, таких как резервуары с уменьшенной толщиной стенок, а также соответствующие концепции, которые помогают в снижение потребности в достижении эквивалентной объемной производительности сжатого СПГ при высоком давлении ».В течение десяти лет Лонг изучает MOF в качестве адсорберов газа, надеясь использовать их для улавливания углекислого газа, выбрасываемого электростанциями, или хранения водорода в транспортных средствах, работающих на водороде, или для катализирования газовых реакций в промышленности. Однако в прошлом году исследование Беренда Смита из Калифорнийского университета в Беркли показало, что жесткие MOF имеют ограниченную способность хранить метан.
Студент, аспирант и первый автор Джарад Мейсон вместо этого обратился к гибким MOF, отметив, что они ведут себя лучше, когда метан закачивается и выходит.Испытанные ими гибкие MOF основаны на атомах кобальта и железа, рассредоточенных по всей структуре, со связями из бензолдипиразолата (БДП).
И кобальт (bdp), и железо (bdp) являются высокопористыми при расширении, но сжимаются практически без пор при сжатии.По словам Лонга, их первые эксперименты с этими соединениями уже превосходят теоретические пределы для жестких MOF. Это фундаментальное открытие, требующее серьезной инженерной работы, чтобы выяснить, как лучше всего использовать преимущества этих новых свойств адсорбента ».
Он и его коллеги также сейчас разрабатывают гибкие MOF для хранения водорода.