专门设计的金属有机框架，可实现更安全，更便宜的天然气存储

MOF材料可以在中等温度和压力下更安全，更经济地存储和释放甲烷。

甲烷是天然气的主要成分，是地球上最丰富的有机化合物之一。像其他化石燃料一样，它可以被捕获，存储并用于建筑物的供暖，天然气汽车的动力，烹饪食物的使用以及许多工业过程中的使用。

然而，天然气可能难以运输，昂贵并且具有运输和存储的风险。常规的分配和存储方法涉及耗时长且昂贵的管道系统，或者以约3,000磅/平方英寸（psi）的压力压缩增强型便携式储罐中的气体-大约比汽车轮胎的压力高100倍-或将气体冷凝为液体在低温容器中，这是高能耗的，因为这需要将温度保持在低至-260华氏度。

开发新材料以在更低的压力和更高的温度下将甲烷存储在车载车辆上，可以帮助科学家和工程师达到能源部（DOE）的目标，为下一代清洁能源汽车提供燃料。

现在，来自西班牙，摩洛哥，沙特阿拉伯和美国能源部的橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家已经使用中子散射来鉴定和表征可以更安全，更经济地以冰状结晶形式储存和释放甲烷的物质。温度和压力适中。研究结果发表在《美国化学学会杂志》上。

这种材料是专门设计的多孔金属有机骨架（MOF）材料，称为Cr-soc-MOF-1，能够吸收几乎两倍于其重量的水。研究人员发现，这种材料可在约400 psi的相对较低压力和高达37华氏度的温度下促进甲烷水合物（由互锁的水分子包围的CH4甲烷分子）的快速生长。以类似材料存储甲烷的常规方法通常需要高达1400 psi的压力。研究还表明，截留的甲烷可以在狭窄的压力范围内捕获和释放，这可以使甲烷存储系统更简单，更经济。

科学家证明，在较低压力下，固态水合甲烷的吸附量比在1,400 psi下干燥的甲烷气高约50％。Cr-soc-MOF-1可以容纳如此大量的甲烷，因为它非常多孔，以至于一克材料（大约一个普通的M＆M糖果的重量）如果伸展开，其表面积将足以覆盖近一整个足球场。

ORNL化学光谱小组负责人Timmy Ramirez-Cuesta说：“ MOF可以在相对较低的psi压力下储存的甲烷量-不到轻型压力清洗机产生的甲烷量的四分之一。”“通过将MOF的温度进一步降低至20华氏度，即使在更低的压力下，甲烷也仍然可以存储在MOF中。”

Ramirez-Cuesta补充说，只需将温度升高几度或降低压力，即可逆转吸附过程以释放甲烷。“ MOF内部甲烷水合物形成与释放之间的压力范围狭窄，这表明未来的甲烷存储设备可以在压力摆幅要求较低的情况下运行，这将允许使用更便宜的安全壳系统。”

重量更轻，更可靠，价格更便宜的存储系统可以帮助在更多的车辆中使用天然气作为燃料，而重量，安全性和成本是最重要的考虑因素。以甲烷水合物的结晶固体形式将燃料存储在车辆上还可以解决工业界和消费者对气态和液态甲烷易燃性的担忧。

西班牙阿利坎特大学教授Joaquin Silvestre-Albero说：“我们在ORNL散裂中子源的VISION振动光谱仪上使用了中子散射，以获取甲烷水合物在MOF孔中形成的第一个证据。”“ Cr-soc-MOF-1材料似乎具有最佳的腔体或“笼体”尺寸，可以将甲烷水合物纳米晶体隔离在每个腔体一个晶体上。

为了促进冰状甲烷水合物晶体的形成，首先将MOF预先加水并冷却，然后再暴露于甲烷中。该材料在压力下加载，以帮助将甲烷驱入该材料的内部空腔，并帮助将甲烷分子保持在MOF孔内。然后对MOF样品进行中子光谱分析，这是一种测量原子原子运动的方法。

ORNL中子郑永强表示：“被VISION的中子“相机”完美捕获了被困在孔中的旋转分子的光谱特征，这是中子散射如何可以成为有价值的诊断工具的教科书示例。散射科学家。“只有中子光谱学才能提供这样的直接实验证据，证明甲烷分子被困在其MOF笼内并在其中旋转。”

确定一种经济有效的甲烷存储方法可以在可再生能源方面有更广泛的应用，例如捕获牲畜，垃圾填埋场和石油提取所产生的甲烷，其中大部分目前都释放到大气中，而那里是有力的温室气体。

参考：Carlos Cuadrado-Collados，Georges Mouchaham，Luke Daemen，Yongqiang Cheng，Anibal Ramirez-Cuesta，Himanshu Aggarwal，Alexander Missyul，Mohamed Eddaoudi，Youssefef Belomab的“寻求在水解稳定的金属-有机骨架的孔中形成最佳甲烷水合物的方法”和华金·西尔维斯特·阿尔贝罗（Joaquin Silvestre-Albero），2020年7月11日，《美国化学学会杂志》。
10.1021 / jacs.0c01459

该研究得到了沙特阿美公司，阿卜杜拉国王科技大学，MINECO Generalitat Valenciana和美国能源部科学办公室的支持。计算资源通过ORNL实验室指导的研究与开发计划以及科学计算和数据环境（CADES）资助的VirtuES和ICE-MAN项目获得。