Международная группа ученых разработала новый класс пористых материалов на основе металл-органических каркасов, способных удерживать рекордные объемы водорода и метана при низких давлениях и температуре окружающей среды. Разработку можно будет применять для безопасного хранения источников экологически чистой энергии.
Пористые материалы, способные накапливать большие количества водорода или метана, рассматриваются как более безопасная и дешевая альтернатива существующим решениям для хранения этих газов, когда их сжижают или держат в баллонах под высоким давлением. Ученые сделали важный шаг к решению задачи, получив высокопористый структурированный материал, поглощающий рекордные объемы метана при комнатной температуре.
Металл-органические каркасы представляют собой пористые кристаллические наноструктуры из молекул органики и ионов металлов, по строению напоминающие пчелиные соты. Ионы металлов соединены между собой органическими молекулами в жесткую пространственную решетку. В результате получается пористая трехмерная структура с огромной внутренней поверхностью, когда один грамм может содержать до нескольких тысяч квадратных метров.
Многие формы металл-органических каркасов широко применяют в качестве основы для фильтров, детекторов разных газов и упаковки опасных веществ. Их использованию в сфере хранения водорода и метана мешает то, что молекулы этих газов из-за небольших размеров плохо задерживаются внутри пор при комнатной температуре. Таким образом, подобные поглотители газов приходится охлаждать или удерживать в атмосфере с высоким давлением.
Для решения проблемы ученые разработали особую архитектуру металл-органических каркасов на базе ионов меди, железа и молекул класса дифенилацетиленов, представляющих собой ароматические углеводороды гантелеобразной формы. Нестандартная конфигурация этих структур дает возможность гибко управлять размерами пор и сохраняет высокую структурированность материалов, что помогает закачивать газы и извлекать их обратно.
Первые эксперименты показали, что при охлаждении жидким азотом новые материалы поглощают очень большие объемы водорода и метана, составляющие порядка 17,4% от их массы, что примерно на 20% лучше результата материала NU-1501, ранее считавшегося рекордсменом.
Уже сейчас разработку можно использовать для хранения метана при комнатной температуре. Ученые надеются повторить успех для водорода, что будет способствовать развитию водородной энергетики.
Металл-органические каркасы относятся к координационным полимерам. Они состоят из металлических узлов и органических линкеров, а их важной особенностью является сочетание большой удельной поверхности с настраиваемой пористостью. Такие структуры считаются перспективными для газоразделения, катализа, сенсорики и аккумулирования энергоносителей.
