Анализ катенации и кристаллические суперструктуры RP-H100 и RP-H101. Источник: Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01622-w
Водород часто рассматривается как топливо будущего из-за его нулевого уровня выбросов и высокой гравиметрической плотности энергии, что означает, что он хранит больше энергии на единицу массы по сравнению с бензином. Однако его низкая объемная плотность означает, что он занимает много места, что создает проблемы для эффективного хранения и транспортировки.
Чтобы устранить эти недостатки, водород необходимо сжимать в резервуарах до давления 700 бар, что чрезвычайно высоко. Такая ситуация не только влечет за собой высокие затраты, но и вызывает опасения по поводу безопасности.
Для того чтобы автомобили на водородных топливных элементах (FCV) стали широко распространенными, Министерство энергетики США (DOE) установило конкретные цели для систем хранения водорода: 6,5% веса материала для хранения должно быть водородом (гравиметрическая емкость хранения 6,5% по весу), а один литр материала для хранения должен содержать 50 граммов водорода (объемная емкость хранения 50 г л‒1). Эти цели гарантируют, что транспортные средства смогут преодолевать разумные расстояния без избыточного расхода топлива.
Одной из перспективных стратегий достижения этих целей является разработка пористых адсорбирующих материалов, таких как металлоорганические каркасы (MOF), ковалентные органические каркасы (COF) и пористые органические полимеры (POP). Все эти материалы имеют общую черту: они обладают пористой структурой, которая позволяет им эффективно улавливать и хранить водородный газ. Этот подход также направлен на облегчение хранения водорода при более низком давлении, например, в пределах 100 бар.
Несмотря на достижения в превосходстве гравиметрической цели DOE, многие адсорбирующие материалы все еще испытывают трудности с удовлетворением потребностей в объемной емкости, и лишь немногие могут сбалансировать как объемные, так и гравиметрические цели. С промышленной точки зрения объемная емкость важнее гравиметрической, поскольку резервуары для хранения транспортных средств имеют ограниченное пространство.
Объем системы хранения водорода напрямую влияет на дальность пробега FCV. Поэтому разработка адсорбентов водорода, которые максимизируют объемную емкость, сохраняя при этом отличную гравиметрическую емкость, имеет важное значение. Достижение этой цели включает в себя балансировку высокой объемной и гравиметрической площади поверхности в пределах одного материала.
Исследователи изучают различные материалы для хранения водорода, при этом органические супрамолекулярные кристаллы, собранные из органических молекул посредством нековалентных взаимодействий, являются многообещающим вариантом в результате их пригодности для вторичной переработки. Однако их потенциал остается в значительной степени неиспользованным, поскольку разработка супрамолекулярных кристаллов со сбалансированными высокими гравиметрическими и объемными площадями поверхности при сохранении стабильности является сложной задачей.
Явление, известное как катенация, которое включает механически сцепленные сети в пористых материалах, обычно повышает стабильность. Катенация, однако, часто уменьшает площадь поверхности, блокируя доступные поверхности, делая материал менее пористым и, как правило, нежелательным для хранения водорода. Обычно прилагаются усилия, чтобы минимизировать или избежать этого.
Анализ взаимопроникновения RP-H100 и RP-H101. Кредит: Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01622-w
Чтобы раскрыть потенциал супрамолекулярных кристаллов для хранения водорода, совместная исследовательская группа под руководством профессора Фрейзера СТОДДАРТА вместе с доцентами-исследователями доктором Чун Таном, доктором Жуйхуа Чжаном с кафедры химии Гонконгского университета (HKU) и профессором Рэндаллом Снурром с кафедры химической и биологической инженерии Северо-Западного университета, США, продемонстрировала контролируемую «стратегию точечного контакта».
Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.
Этот инновационный подход использует водородные связи, поперечное сечение которых можно рассматривать как «точку», а не традиционную укладку [π···π], которая подразумевает большое «поверхностное» перекрытие, для точного управления катенатацией в супрамолекулярных кристаллах. Основываясь на этой стратегии, исследователи создают хорошо организованную структуру, которая минимизирует поверхностные потери, вызванные взаимопроникновением, и подгоняет диаметр пор (~1,2–1,9 нм) для оптимального хранения водорода.
В результате исследовательская группа получила супрамолекулярный кристалл с рекордно высокой гравиметрической (3526 м2 г‒1) и сбалансированной объемной (1855 м2 см‒3) площадью поверхности среди всех сообщенных (супра)молекулярных кристаллов, в дополнение к высокой стабильности, при этом (i) обеспечивая превосходную объемную емкость на уровне материала (53,7 г л‒1), (ii) балансируя высокую гравиметрическую емкость (9,3 мас.%) для хранения водорода в условиях практического перепада давления и температуры (77 К/100 бар → 160 К/5 бар) и (iii) превосходя конечные целевые показатели DOE на уровне системы (50 г л‒1 и 6,5 мас.%) как объемно, так и гравиметрически, хотя и при криогенных температурах.
Инновационная конструкция
Разработка органических супрамолекулярных кристаллов, которые уравновешивают высокие гравиметрические и объемные площади поверхности, сохраняя при этом высокую стабильность, является важной задачей, которая препятствует ее потенциалу для многих приложений.
Однако группа предложила стратегию точечного контакта, которая использует точечные контактные взаимодействия, включающие водородные связи, для минимизации потери поверхности во время катенации. Эта стратегия проектирования наделяет эти супрамолекулярные кристаллы сбалансированными высокими объемными и гравиметрическими площадями поверхности, высокой стабильностью и идеальными размерами пор для хранения водорода.
Это исследование раскрывает потенциал органических супрамолекулярных кристаллов как перспективных кандидатов для бортового хранения водорода и подчеркивает потенциал стратегии направленного катенирования при разработке надежных пористых материалов для приложений.
Дополнительная информация: Ruihua Zhang et al, Balancing volumetric and gravimetric capacity for hydro in supramolecular crystals, Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01622-w
Информация о журнале: Nature Chemistry Предоставлено Университетом Гонконга
