Éponge programmable hautement poreuse pour un stockage d'énergie propre. Crédit :Université Northwestern
Une équipe de recherche dirigée par la Northwestern University a conçu et synthétisé de nouveaux matériaux à très haute porosité et surface pour le stockage de l'hydrogène et du méthane pour les véhicules à pile à combustible. Ces gaz sont des alternatives énergétiques propres intéressantes aux combustibles fossiles produisant du dioxyde de carbone.
Les matières design, un type de charpente organométallique (MOF), peuvent stocker beaucoup plus d'hydrogène et de méthane que les matériaux adsorbants conventionnels à des pressions beaucoup plus sûres et à des coûts beaucoup plus bas.
« Nous avons développé une meilleure méthode de stockage à bord de l'hydrogène et du méthane pour les véhicules à énergie propre de nouvelle génération, " a déclaré Omar K. Farha, qui a dirigé la recherche. "Pour faire ça, nous avons utilisé des principes chimiques pour concevoir des matériaux poreux avec un arrangement atomique précis, obtenant ainsi une porosité ultra-élevée."
Les adsorbants sont des solides poreux qui lient des molécules liquides ou gazeuses à leur surface. Grâce à ses pores nanoscopiques, un échantillon d'un gramme du matériau Northwestern (avec un volume de six M&M) a une surface qui couvrirait 1,3 terrain de football.
Les nouveaux matériaux pourraient également être une percée pour l'industrie du stockage de gaz dans son ensemble, Farha a dit, car de nombreuses industries et applications nécessitent l'utilisation de gaz comprimés tels que l'oxygène, hydrogène, méthane et autres.
Farha est professeur agrégé de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences. Il est également membre de l'Institut international de nanotechnologie de Northwestern.
L'étude, alliant expérimentation et simulation moléculaire, sera publié le 17 avril par la revue Science .
Un matériau hautement poreux équilibrant les performances de stockage gravimétrique et volumétrique. Crédit :Timur Islamoglu et Zhijie Chen
Farha est l'auteur principal et correspondant. Zhijie Chen, un stagiaire postdoctoral dans le groupe de Farha, est co-premier auteur. Penghao Li, un stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Sir Fraser Stoddart, Conseil d'administration Professeur de chimie à Northwestern, est également co-premier auteur. Stoddart est un auteur sur le papier.
Les MOF ultraporeux, nommé NU-1501, sont construits à partir de molécules organiques et d'ions métalliques ou d'amas qui s'auto-assemblent pour former des multidimensionnels, très cristallin, cadres poreux. Pour imaginer la structure d'un MOF, Farha a dit, imaginez un ensemble de Tinkertoys dans lequel les ions métalliques ou amas sont les nœuds circulaires ou carrés et les molécules organiques sont les tiges qui maintiennent les nœuds ensemble.
Les véhicules fonctionnant à l'hydrogène et au méthane nécessitent actuellement une compression à haute pression pour fonctionner. La pression d'un réservoir d'hydrogène est 300 fois supérieure à la pression des pneus de voiture. En raison de la faible densité de l'hydrogène, il est coûteux d'accomplir cette pression, et il peut également être dangereux car le gaz est hautement inflammable.
Le développement de nouveaux matériaux adsorbants capables de stocker de l'hydrogène et du méthane à bord des véhicules à des pressions beaucoup plus basses peut aider les scientifiques et les ingénieurs à atteindre les objectifs du département américain de l'Énergie pour le développement de la prochaine génération d'automobiles à énergie propre.
Pour atteindre ces objectifs, la taille et le poids du réservoir de carburant embarqué doivent être optimisés. Les matériaux hautement poreux de cette étude équilibrent à la fois les capacités volumétriques (taille) et gravimétriques (masse) de l'hydrogène et du méthane, rapprocher les chercheurs de ces objectifs.
"Nous pouvons stocker d'énormes quantités d'hydrogène et de méthane dans les pores des MOF et les livrer au moteur du véhicule à des pressions inférieures à celles nécessaires pour les véhicules à pile à combustible actuels, " dit Farha.
Les chercheurs de Northwestern ont conçu l'idée de leurs MOF et, en collaboration avec les modélisateurs informatiques de la Colorado School of Mines, confirmé que cette classe de matériaux est très intrigante. Farha et son équipe ont ensuite conçu, synthétisé et caractérisé les matériaux. Ils ont également collaboré avec des scientifiques du National Institute for Standards and Technology (NIST) pour mener des expériences de sorption de gaz à haute pression.
Le titre de l'article est « Equilibrer l'absorption volumétrique et gravimétrique dans les matériaux hautement poreux pour une énergie propre ».
