Un team di ricerca guidato dalla Northwestern University ha progettato e sintetizzato nuovi materiali con porosità e superficie ultraelevate per lo stoccaggio di idrogeno e metano per veicoli alimentati a celle a combustibile. Questi gas sono interessanti alternative energetiche pulite ai combustibili fossili che producono anidride carbonica.

I materiali di design, un tipo di struttura metallo-organica (MOF), può immagazzinare molto più idrogeno e metano rispetto ai materiali adsorbenti convenzionali a pressioni molto più sicure e a costi molto più bassi.

"Abbiamo sviluppato un metodo di stoccaggio a bordo migliore per l'idrogeno e il gas metano per i veicoli a energia pulita di prossima generazione, " ha detto Omar K. Farha, che ha condotto la ricerca. "Per fare questo, abbiamo usato principi chimici per progettare materiali porosi con una precisa disposizione atomica, ottenendo così una porosità ultraelevata."

Gli adsorbenti sono solidi porosi che legano molecole liquide o gassose alla loro superficie. Grazie ai suoi pori nanoscopici, un campione di un grammo del materiale Northwestern (con un volume di sei M&Ms) ha una superficie che coprirebbe 1,3 campi da calcio.

I nuovi materiali potrebbero anche rappresentare una svolta per l'industria dello stoccaggio del gas in generale, Farha ha detto, perché molte industrie e applicazioni richiedono l'uso di gas compressi come ossigeno, idrogeno, metano e altri.

Farha è professore associato di chimica al Weinberg College of Arts and Sciences. È anche membro dell'International Institute for Nanotechnology della Northwestern.

Lo studio, combinando esperimento e simulazione molecolare, sarà pubblicato il 17 aprile dalla rivista Scienza .

Farha è l'autore principale e corrispondente. Zhijie Chen, un borsista post-dottorato nel gruppo di Farha, è co-primo autore. Penghao Li, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Sir Fraser Stoddart, Professore del Consiglio di fondazione di Chimica alla Northwestern, è anche un co-primo autore. Stoddart è un autore sulla carta.

I MOF ultraporosi, denominato NU-1501, sono costituiti da molecole organiche e ioni metallici o cluster che si autoassemblano per formare multidimensionali, altamente cristallino, strutture porose. Per immaginare la struttura di un MOF, Farha ha detto, immagina una serie di giocattoli in cui gli ioni metallici o i cluster sono i nodi circolari o quadrati e le molecole organiche sono le aste che tengono insieme i nodi.

I veicoli alimentati a idrogeno e metano attualmente richiedono una compressione ad alta pressione per funzionare. La pressione di un serbatoio di idrogeno è 300 volte maggiore della pressione degli pneumatici per auto. A causa della bassa densità dell'idrogeno, è costoso realizzare questa pressione, e può anche essere pericoloso perché il gas è altamente infiammabile.

Lo sviluppo di nuovi materiali adsorbenti in grado di immagazzinare idrogeno e gas metano a bordo dei veicoli a pressioni molto più basse può aiutare scienziati e ingegneri a raggiungere gli obiettivi del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti per lo sviluppo della prossima generazione di automobili a energia pulita.

Per raggiungere questi obiettivi, sia le dimensioni che il peso del serbatoio del carburante di bordo devono essere ottimizzati. I materiali altamente porosi in questo studio bilanciano le capacità erogabili sia volumetriche (dimensioni) che gravimetriche (massa) di idrogeno e metano, avvicinando i ricercatori al raggiungimento di questi obiettivi.

"Possiamo immagazzinare enormi quantità di idrogeno e metano all'interno dei pori dei MOF e consegnarli al motore del veicolo a pressioni inferiori a quelle necessarie per gli attuali veicoli a celle a combustibile, " disse Fara.

I ricercatori della Northwestern hanno concepito l'idea dei loro MOF e, in collaborazione con modellatori computazionali presso la Colorado School of Mines, ha confermato che questa classe di materiali è molto intrigante. Farha e il suo team hanno quindi progettato, sintetizzato e caratterizzato i materiali. Hanno anche collaborato con scienziati del National Institute for Standards and Technology (NIST) per condurre esperimenti di assorbimento di gas ad alta pressione.

Il titolo dell'articolo è "Bilanciamento dell'assorbimento volumetrico e gravimetrico in materiali altamente porosi per l'energia pulita".