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存儲甲烷捕集CO2,這種新材料做到了

存儲甲烷捕集CO2,這種新材料做到了

阿卜杜拉國王科技大學科研人員研發了一種新型金屬有機框架材料,該材料在油氣行業有巨大應用前景。

來自 | 阿卜杜拉國王科技大學
編譯 | 付志軍 槽子

Mohamed Eddaoudi教授是阿卜杜拉國王科技大學先進膜與多孔材料中心主任,他和他的團隊最近研發了一種新型金屬有機框架材料,據了解,該材料在油氣行業將會有巨大應用前景。

革命性的節能型干燥劑

傳統觀點認為金屬有機框架材料遇水不穩定,而最新研究進展徹底否定了這一觀點。該材料MOFs可以在干燥流程中有選擇性的快速吸收水分。

MOFs是一種有機和無機的混合材料,其中含有金屬離子或絡離子,被有機交聯劑連接起來。通過改變金屬組分和有機交聯劑,研究人員可以對MOFs的化學結構和性質進行微調。微調目的是要在MOFs內形成孔隙結構(空腔和通道),從而有選擇性的束縛住某類型分子,例如從氣體中去除水分子。

天然氣等氣體在運輸前必須要經過干燥劑干燥處理,防止管線腐蝕和甲烷水合物堵塞管線。但傳統干燥劑再生循環過程能耗高,干燥處理費用高。

新型氟化金屬有機框架材料可以作為干燥劑,并且令人驚喜的是新型氟化金屬有機框架材料能夠在較低溫度下循環再生,只需要消耗傳統再生循環過程所需能量的一半。這預示著該材料在提高氣體生產和運輸行業效益方面擁有巨大潛力。

起初,Eddaoudi的研究團隊是想通過對含氟MOFs結構進行調整,使其在收縮孔隙結構內部形成規則的開放式金屬位和中心氟原子,這樣可以得到多樣的分子結構。但是,在研究中無意發現,一種KAUST-8(圖1)的MOF材料遇水穩定,具有獨特的吸水性和脫水再回收性能。而且重要的是,這種材料還能夠滿足油氣行業加工處理的一般性要求,即能夠同時去除CO2和水。

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圖1 KAUST-8實現低能耗氣體干燥處理

KAUST研究團隊看到了其他領域應用該材料的可能性,包括除去液體中的水,比如去除電子工業使用的油墨和溶劑中的水。這一發現激發了學術界科學家們和整個行業進一步去開發利用MOFs來解決其他領域的難題。

低成本高效儲存甲烷

Eddaoudi研究團隊研發了多種新型MOFs材料用于氣體的高效儲存,其中一種混合型材料可以實現甲烷的低成本高效儲存。因為天然氣中幾乎95%是甲烷,它是汽油和煤很好的替代物,而且甲烷更環保,但是由于目前儲存和運輸存在的問題,限制了它的應用。

MOFs材料是目前為止最好的用于儲存氣體,尤其是甲烷的的材料。材料中不同的孔隙尺寸使得分子內部具有很大的表面積,足以容納比其他孔隙介質更多的氣體。制備MOFs材料好比用積木搭建一個大的開放式空間網絡結構。圖2 中表示的周期性分子結構看起來像彩色玩具,但它是建立在原子和分子結構上。這種材料的關鍵是要選擇一種合適的有機“立柱”(圖2中灰色部分),它可以形成兩種類型的空腔結構,每種空腔都能容納很多甲烷分子。

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圖2 MOFs空間幾何網絡結構。有機交聯劑(灰色/紅色)和中心金屬原子(綠色)結合形成空腔(黃色)來容納甲烷分子。

Eddaoudi研究團隊表示,他們還需要改進MOFs的甲烷儲存能力和循環再生性能,提高遇水穩定性,加大應用規模。Eddaoudi預計在未來十年內,商業化生產的MOFs材料將會高效儲存并運輸甲烷,這預示著整個社會將不再依賴石油和煤炭。

捕集CO2

2015年年底,Eddaoudi帶領的研究團隊研發了一種新的MOF材料,它能夠在400ppm低濃度下高效吸收CO2,顯示出其捕集CO2的應用潛力。

研究人員還研發了一種含氟MOF材料,材料中包圍中心Ni(II)金屬原子的方格層和吡嗪交聯劑通過立柱橋接,立柱是由鈮、氧和氟原子組成的。這一最新材料KAUST-7(圖3),可用于捕集CO2,并且儲存能力比目前材料的儲存能力強,而且再生過程能耗低。

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圖3 CO2分子(灰色和紅色)均勻的嵌入到KAUST-7分子內部。

并且通過控制好氟原子之間的距離可以得到合適的方形口袋,捕集CO2效率更高,儲存能力更強。

MOF(KAUST-7)材料可以在低濃度下捕集CO2包括直接從空氣中捕集CO2。這種能力擴大了材料的應用范圍,使得該材料可以用于生成CO2的靜態工業過程(例如水泥廠),也能用于交通工具上,例如卡車、轎車和飛機上,并且CO2一生成就被捕集要比它與大氣完全混合后再捕集更經濟和節能。

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