Erdgas könnte dank metallorganischer Gerüste die Lücke von Benzin- zu Elektrofahrzeugen schließen

Da die Welt ihre Aufmerksamkeit auf Elektrofahrzeuge als Ersatz für gasbetriebene Autos und Lastwagen richtet, werden einige Fahrzeuge wie Langstrecken-Lkw und Flugzeuge eine Brücke zwischen Gas und Elektro benötigen.

Erdgas könnte eine sinnvolle Alternative sein. Es ist weit verbreitet und verbrennt sauberer als Benzin. Es gibt sogar bereits Umrüstsätze, um Ihren Pkw oder Fernverkehrs-Lkw auf Erdgasbetrieb umzustellen, sagt Adam Matzger, Professor für Chemie an der University of Michigan.

„Erdgas ist allgegenwärtig und wird als eine Art Sprungbrett von Benzin zu Elektro oder Wasserstoff angesehen“, sagte er. „Das Hauptproblem dabei ist die Lagerung. Die Kosten sind gut. Die Verteilung ist gut. Die Lagerung ist das Problem.“

Matzger, der ein Material namens metallorganische Gerüste (MOFs) untersucht, dachte, dass sie ein ungenutztes Potenzial zur Speicherung von Methan, dem größten Bestandteil von Erdgas, haben könnten.

MOFs sind starre, poröse Strukturen aus Metallen, die durch organische Liganden verbunden sind. Methan kann in einem MOF durch einen als Adsorption bezeichneten Prozess gespeichert werden. Bei der Adsorption haften die Moleküle eines Stoffes an der Oberfläche eines Materials, wodurch eine Speicherung bei niedrigen Drücken möglich wird.

Matzger arbeitete mit Alauddin Ahmed, Assistenzwissenschaftler im Bereich Maschinenbau am UM College of Engineering, zusammen, um fast eine Million MOFs zu scannen, die bereits entwickelt wurden, um Materialien zu finden, die möglicherweise die richtigen Eigenschaften zur Speicherung von Methan aufweisen. Sie fanden zwei, die zuvor nicht getestet worden waren, von denen einer zufällig in Matzgers Labor erstellt worden war. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Angewandte ChemieZeitschrift der Gesellschaft Deutscher Chemiker.

Das Problem bei Erdgas besteht darin, dass es unter sehr hohem Druck gespeichert werden muss, etwa dem 700-fachen des atmosphärischen Drucks. Die Speicherung von Erdgas unter diesem Druck erfordert spezielle Ausrüstung und viel Energie.

„Es gibt noch eine weitere kleine Falte: Wenn Sie es tatsächlich in einem Fahrzeug verwenden, werden Sie es nicht vom hohen Druck nehmen und auf Null bringen“, sagte Matzger. „Denn wenn der Druck zu niedrig wird, kann man den Motor des Fahrzeugs nicht betreiben. Man muss also tatsächlich auf die nutzbare Kapazität schauen.“

Um Methan nutzbar zu machen, mussten die Wissenschaftler das beste Material finden, das Methan sowohl bei einem niedrigeren Druck speichert als auch auf das vom Fahrzeugmotor benötigte Druckniveau bringt. Das bedeutete, zwischen dem 80-fachen Atmosphärendruck und dem etwa fünffachen Atmosphärendruck zu wechseln.

„Die Idee ist, dass man mit einem Adsorptionsmittel in einem Tank mehr Methan bei niedrigeren Drücken speichern kann als ohne das Absorptionsmittel, weil es hilft, das Methan bei niedrigeren Drücken festzuhalten“, sagte Matzger. „Das Problem besteht also darin, ein Adsorptionsmittel auszuwählen, und hier kam die Theorie wirklich zur Rettung.“

Forschungsassistent Ahmed ist spezialisiert auf die Entwicklung von Algorithmen zur Vorhersage von Eigenschaften chemischer Verbindungen und nanoporöser Materialien – Materialien wie MOFs, die Moleküle speichern können – und auf die Verwendung von Computerscreening zur Identifizierung bestimmter nanoporöser Materialien. Er entwickelte eine Methode zum Screenen einer Hauptdatenbank der 1.000.000 MOFs, die er aus 21 verschiedenen Datenbanken zusammengestellt hatte.

„Dieses Material ist wichtig, weil man aus chemischer Sicht unendlich viele dieser MOFs entwerfen kann“, sagte Ahmed. „Die Frage ist also, wenn die Zahl unendlich ist, wie findet man ein gutes Material? Es ist wie die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen – eigentlich ist es schwieriger.“

Ahmed verwendete zwei verschiedene Methoden, um nach zwei verschiedenen Klassen von MOFs zu suchen. Eine Klasse von MOFs hat eine sogenannte geschlossene Metallstelle. Es wurde festgestellt, dass eine andere Klasse von MOFs eine offene Metallstelle aufweist, aber erst, nachdem die Forscher Wassermoleküle rechnerisch aus der Struktur dieser MOFs entfernt hatten.

Die UM-Forscher konnten basierend auf einem von Don Siegel, Professor für Maschinenbau an der University of Texas, entwickelten Algorithmus nach MOFs mit einer offenen Metallstelle suchen, die für Methanmoleküle einladender ist.

„Früher, als Forscher nach MOFs zur Speicherung von Methan suchten, trennten sie diese beiden Klassen von MOFs nicht“, sagte Ahmed. „Der Vorteil unserer Modellierung ist, dass wir zwei separate Modelle haben. Wir haben die Verbindungen mit geschlossenen Metallstellen von denen mit offenen Metallstellen getrennt, die eine größere Affinität zu diesen Methanmolekülen haben.“

Das Team fand drei MOFs, die gut zur Speicherung von Methan funktionieren würden, von denen Matzgers Labor zufällig eines entwickelt hatte. Postdoktorand Karabi Nath war in der Lage, die Materialien mit großer Oberfläche zu synthetisieren und stellte fest, dass ihre experimentellen Methankapazitäten den Vorhersagen der Theorie entsprachen. Die MOFs – UTSA-76, UMCM-152 und DUT-23-Cu – funktionieren gut, weil sie viele kleine Poren haben, die Gasmoleküle anziehen können.

Matzger stellt sich einen Tank in einem LKW vor, der mit diesen MOFs gefüllt ist. Derzeit verwenden Autos und Lastwagen, die für den Betrieb mit Erdgas umgerüstet wurden, teure Tanks, die dafür ausgelegt sind, Gas unter 10.000 Pfund pro Quadratzoll oder PSI zu speichern. Stattdessen könnten die Fahrer einen Tank mit niedrigerem Druck verwenden, der mit UMCM-152 oder einem der beiden anderen identifizierten MOFs gefüllt ist.

„Das Besondere an dieser Studie ist, dass wir den Rekord für die Methanspeicherung aufgestellt haben. Diese MOFs sind besser als jedes andere zuvor identifizierte Methanspeichermaterial, und das hilft uns herauszufinden, ob wir einem praktischen System nahe kommen.“ sagte Matzger.

„Aber was mich immer wieder zum Lachen bringt, ist, dass eines der idealen MOFs direkt vor unserer Nase war und wir es nicht wussten. Da hat uns die Theorie, keine Frage, in die richtige Richtung gelenkt.“