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MOTOR. Un nuevo método de almacenamiento de gas para vehículos “limpios” de nueva generación


Un equipo de investigación dirigido por la Universidad Northwestern ha diseñado y sintetizado nuevos materiales con una porosidad ultra alta y un área de superficie para el almacenamiento de hidrógeno y metano orientado a vehículos que funcionan con celdas de combustible. Estos gases son alternativas atractivas de energía limpia a los combustibles fósiles que producen dióxido de carbono.

Los materiales de diseño, un tipo de estructura organometálica (MOF), pueden almacenar significativamente más hidrógeno y metano que los materiales adsorbentes convencionales a presiones mucho más seguras y a costos mucho más bajos. Para hacer esto, utilizamos principios químicos para diseñar materiales porosos con una disposición atómica precisa, logrando así una porosidad ultra alta.


Los investigadores han desarrollado un mejor método para el almacenamiento de a bordo del hidrógeno y del gas metano en los vehículos de energía limpia de próxima generación. 

Los adsorbentes son sólidos porosos que unen moléculas líquidas o gaseosas a su superficie. Gracias a sus poros nanoscópicos, una muestra de un gramo del material desarrollado (con un volumen de seis M&M) tiene una superficie que cubriría 1.3 campos de fútbol (NOTA: el volumen de un caramelo de M&M es de 0.636 centímetros cúbicos)


Los nuevos materiales también podrían ser un gran avance para la industria del almacenamiento de gas en general, porque muchas industrias y aplicaciones requieren el uso de gases comprimidos como oxígeno, hidrógeno, metano y otros.

Los MOF ultraporosos, llamados NU-1501, están construidos a partir de moléculas orgánicas e iones metálicos o grupos que se autoensamblan para formar estructuras porosas multidimensionales y altamente cristalinas. Para representar la estructura de un MOF, hay que imaginar un conjunto de Tinkertoys en el que los iones metálicos o grupos son los nodos circulares o cuadrados y las moléculas orgánicas son las varillas que mantienen unidos los nodos.


Un material altamente poroso que equilibra el rendimiento de almacenamiento gravimétrico y volumétrico. Crédito: Timur Islamoglu y Zhijie Chen

Los vehículos que funcionan con hidrógeno y metano actualmente requieren compresión a alta presión para funcionar. La presión de un tanque de hidrógeno es 300 veces mayor que la presión en los neumáticos de los automóviles. Debido a la baja densidad del hidrógeno, es costoso lograr esta presión, y también puede ser inseguro porque este gas es altamente inflamable.

El desarrollo de nuevos materiales adsorbentes que puedan almacenar hidrógeno y gas metano a bordo de vehículos a presiones mucho más bajas puede ayudar a los científicos e ingenieros a alcanzar los objetivos medioambientales de una próxima generación de automóviles dotados de tecnologías “limpias”.

Para cumplir estos objetivos, es necesario optimizar tanto el tamaño como el peso del tanque de combustible a bordo. Los materiales altamente porosos en este estudio equilibran las capacidades de entrega volumétrica (tamaño) y gravimétrica (masa) de hidrógeno y metano, lo que lleva a los investigadores un paso más cerca de alcanzar estos objetivos.


El nuevo material permitirá almacenar enormes cantidades de hidrógeno y metano dentro de los poros de los MOF y entregarlos al motor del vehículo a presiones más bajas que las necesarias para los vehículos de pila de combustible actuales.
Diseño y Sístesis del NU-1501. (A - C) Representación esquemática del NU-1501-M (M = Fe y Al) con los seis 6-c acs net. Esquema atómico de colores: carbon, Gris; metal poliédrico, Northwestern University (NU) púrpura; O, rojo. Átomos de H se omiten para mayor claridad. (D) Imágenes ópticas de los cristales simples del NU-1501.

Fuentes:
- Z. Chen el al., "Balancing volumetric and gravimetric uptake in highly porous materials for clean energy," Science (2020). https://science.sciencemag.org … 1126/science.aaz8881
- MOF@hollow mesoporous carbon spheres as bifunctional electrocatalysts. https://phys.org/news/2020-02-mofhollow-mesoporous-carbon-spheres-bifunctional.html
- Porous material enables autonomous underwater vehicles to travel further. https://phys.org/news/2020-03-porous-material-enables-autonomous-underwater.html
- https://phys.org/news/2020-04-gas-storage-method-next-generation-energy.html


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