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存储甲烷捕集CO2,这种新材料做到了

存储甲烷捕集CO2,这种新材料做到了

阿卜杜拉国王科技大学科研人员研发了一种新型金属有机框架材料,该材料在油气行业有巨大应用前景。

来自 | 阿卜杜拉国王科技大学
编译 | 付志军 槽子

Mohamed Eddaoudi教授是阿卜杜拉国王科技大学先进膜与多孔材料中心主任,他和他的团队最近研发了一种新型金属有机框架材料,据了解,该材料在油气行业将会有巨大应用前景。

革命性的节能型干燥剂

传统观点认为金属有机框架材料遇水不稳定,而最新研究进展彻底否定了这一观点。该材料MOFs可以在干燥流程中有选择性的快速吸收水分。

MOFs是一种有机和无机的混合材料,其中含有金属离子或络离子,被有机交联剂连接起来。通过改变金属组分和有机交联剂,研究人员可以对MOFs的化学结构和性质进行微调。微调目的是要在MOFs内形成孔隙结构(空腔和通道),从而有选择性的束缚住某类型分子,例如从气体中去除水分子。

天然气等气体在运输前必须要经过干燥剂干燥处理,防止管线腐蚀和甲烷水合物堵塞管线。但传统干燥剂再生循环过程能耗高,干燥处理费用高。

新型氟化金属有机框架材料可以作为干燥剂,并且令人惊喜的是新型氟化金属有机框架材料能够在较低温度下循环再生,只需要消耗传统再生循环过程所需能量的一半。这预示着该材料在提高气体生产和运输行业效益方面拥有巨大潜力。

起初,Eddaoudi的研究团队是想通过对含氟MOFs结构进行调整,使其在收缩孔隙结构内部形成规则的开放式金属位和中心氟原子,这样可以得到多样的分子结构。但是,在研究中无意发现,一种KAUST-8(图1)的MOF材料遇水稳定,具有独特的吸水性和脱水再回收性能。而且重要的是,这种材料还能够满足油气行业加工处理的一般性要求,即能够同时去除CO2和水。

存储甲烷捕集CO2,这种新材料做到了

图1 KAUST-8实现低能耗气体干燥处理

KAUST研究团队看到了其他领域应用该材料的可能性,包括除去液体中的水,比如去除电子工业使用的油墨和溶剂中的水。这一发现激发了学术界科学家们和整个行业进一步去开发利用MOFs来解决其他领域的难题。

低成本高效储存甲烷

Eddaoudi研究团队研发了多种新型MOFs材料用于气体的高效储存,其中一种混合型材料可以实现甲烷的低成本高效储存。因为天然气中几乎95%是甲烷,它是汽油和煤很好的替代物,而且甲烷更环保,但是由于目前储存和运输存在的问题,限制了它的应用。

MOFs材料是目前为止最好的用于储存气体,尤其是甲烷的的材料。材料中不同的孔隙尺寸使得分子内部具有很大的表面积,足以容纳比其他孔隙介质更多的气体。制备MOFs材料好比用积木搭建一个大的开放式空间网络结构。图2 中表示的周期性分子结构看起来像彩色玩具,但它是建立在原子和分子结构上。这种材料的关键是要选择一种合适的有机“立柱”(图2中灰色部分),它可以形成两种类型的空腔结构,每种空腔都能容纳很多甲烷分子。

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图2 MOFs空间几何网络结构。有机交联剂(灰色/红色)和中心金属原子(绿色)结合形成空腔(黄色)来容纳甲烷分子。

Eddaoudi研究团队表示,他们还需要改进MOFs的甲烷储存能力和循环再生性能,提高遇水稳定性,加大应用规模。Eddaoudi预计在未来十年内,商业化生产的MOFs材料将会高效储存并运输甲烷,这预示着整个社会将不再依赖石油和煤炭。

捕集CO2

2015年年底,Eddaoudi带领的研究团队研发了一种新的MOF材料,它能够在400ppm低浓度下高效吸收CO2,显示出其捕集CO2的应用潜力。

研究人员还研发了一种含氟MOF材料,材料中包围中心Ni(II)金属原子的方格层和吡嗪交联剂通过立柱桥接,立柱是由铌、氧和氟原子组成的。这一最新材料KAUST-7(图3),可用于捕集CO2,并且储存能力比目前材料的储存能力强,而且再生过程能耗低。

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图3 CO2分子(灰色和红色)均匀的嵌入到KAUST-7分子内部。

并且通过控制好氟原子之间的距离可以得到合适的方形口袋,捕集CO2效率更高,储存能力更强。

MOF(KAUST-7)材料可以在低浓度下捕集CO2包括直接从空气中捕集CO2。这种能力扩大了材料的应用范围,使得该材料可以用于生成CO2的静态工业过程(例如水泥厂),也能用于交通工具上,例如卡车、轿车和飞机上,并且CO2一生成就被捕集要比它与大气完全混合后再捕集更经济和节能。

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