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Ein neues, extrem effizientes Speichermaterial für leichte Gase

Ein neues Adsorbens übertrifft die Anforderungen des US-Energieministeriums hinsichtlich der Methan- und Wasserstoffspeicherung. Dies würde neue Speicherlösungen für nachhaltige, gasbetriebene Autos für die zukünftige Mobilität ermöglichen.

Ein neues Feststoff-Adsoprtionsmittel könnte den Weg für eine kostengünstige und sichere Speicherung von Wasserstoff und Methan ebnen, die als umweltfreundlichere Alternativen zu herkömmlichen flüssigen Kraftstoffen vorgeschlagen werden. Das Material kombiniert viele der Eigenschaften, nach denen Forscher bei Gassorbentien bislang gesucht haben. Das Ersetzen von Benzin und Dieselkraftstoff durch sauber verbrennenden Wasserstoff, der emissionsfreie Brennstoffzellenfahrzeuge antreiben kann, oder durch Methan, das relativ wenig Verbrennungsprodukte erzeugt, könnte einen grossen Beitrag zur Reduzierung des Treibhausgases CO2 leisten. Eine Herausforderung, die eine breite Implementierung derartiger emissionsarmer Fahrzeuge behindert, besteht darin, ein kostengünstiges Bordkraftstoffsystem zu entwickeln, das bei mässigem Druck genügend Gas speichern kann, um praxiskonforme Fahrstrecken zwischen den Tankfüllungen zu ermöglichen. Im Prinzip könnten gasadsorbierende Feststoffe wie metallorganische Gerüste (metal-organic frameworks, MOFs) geeignete Kandidaten sein, da diese schwammartigen Materialien in gewöhnlichen Kraftstofftanks bei niedrigem Druck sogar mehr Gas aufnehmen können als teure Spezialtanks bei hohem Druck.

MOFs sind eine grosse Familie poröser kristalliner Feststoffe, die aus Metallionen oder Clustern bestehen, die durch organische Linker verbunden sind. Durch die Anpassung der molekularen Bausteine, die die inneren Porengrößen und andere Merkmale steuern, haben Forscher zuvor MOFs mit extrem hohen inneren Oberflächen hergestellt. Einige MOFs adsorbieren außergewöhnliche Mengen an Gasen wie Wasserstoff bezogen auf ihr Gewicht. Andere arbeiten nur auf Volumenbasis eindrucksvoll. Wieder andere nehmen grosse Mengen verschiedener Gase auf, setzen sie jedoch nicht leicht frei.

Ein optimaler Kompromiss der Eigenschaften

Ein Team unter der Leitung von Zhijie Chen, Penghao Li und Omar K. Farha von der Northwestern University hat diese Eigenschaften in einem einzigen MOF vereinigt, indem verschiedene simulative und experimentelle Methoden kombiniert wurden. Dazu bewertete das Team Tausende von MOFs, um Wechselwirkungen zwischen Eigenschaften wie dem Hohlraumanteil, dem grössten Porendurchmesser und der Stärke der Wirt-Gast-Wechselwirkungen zu untersuchen.

Die Studie führte sie zu NU-1501-Al, das aus dreikernigen Aluminiumzentren und triptycenähnlichen organischen Liganden besteht. Das neue MOF weist bezogen auf Gewicht, Volumen und Reversibilität Gasaufnahmewerte auf, die einzeln betrachtet hervorragend sind, aber keine Rekordwerte aufweisen. Erst die Kombination dieser Eigenschaften in einem einzigen Material ist jedoch beispiellos. Das MOF auf Al-Basis hat eine spezifische Oberfläche von 7.310 m2 pro Gramm (eine der höchsten) und 2.060 m2 pro cm3. Es kann 0.66 g Methan pro Gramm MOF aufnehmen und überschreitet damit den gravimetrischen Zielwert des US-Energieministeriums (0.5 g pro g), und erreicht nahezu das volumetrische Ziel des DOE von 263 cm3 pro cm3. Das neue Material weist auch eine der höchsten Kapazitäten für lieferbaren Wasserstoff auf Gewichts- und Volumenbasis auf – ungefähr 14 Gew .-% und 46 g pro l.

„Dies ist eine spektakuläre Demonstration, wie die Fähigkeit, Materie auf atomarer, molekularer und Gerüstebene in einer erweiterten chemischen Struktur zu kontrollieren, zu erstaunlichen Eigenschaften führt, die ohne eine derart präzise Kontrolle nicht erreichbar sind“, sagt MOF-Pionier Omar M. Yaghi von der Universität von Kalifornien, Berkeley.

Seth M. Cohen von der University of California in San Diego, ein weiterer MOF-Spezialist, bemerkt, dass das Team durch gezielte Computeranalyse gleichzeitig die volumetrischen und gravimetrischen Kapazitäten in einer einzigen Verbindung maximiert hat. "Die Kombination aus Berechnung und Experiment hat zu beeindruckenden Eigenschaften im MOF geführt."

Originalpublikation:

Z. Chen, P. Li, R. Anderson, X. Wang, X. Zhang, L. Robison, L.R. Redfern, S. Moribe, T. Islamoglu, D.A. Gómez-Gualdrón, T. Yildirim, J.F. Stoddart, O.K. Farha, Balancing volumetric and gravimetric uptake in highly porous materials for clean energy, Science 368, 297-303 (2020).  
DOI: 10.1126/science.aaz8881