Ученые нашли более эффективный способ хранения природного газа

Ученые нашли более эффективный способ хранения природного газа

За долгие годы учеными разных стран мира были изучены сотни тысяч различных материалов с позиции их способности удерживать природный газ. И сегодня, благодаря ученым Северо-западного университета, поиски оптимального варианта заметно упростились.

Металл-органические каркасные структуры, или МОКС, (metal organic frameworks, MOF) называемые также пористыми кристаллами, могут использоваться как высокоэффективные емкости для хранения природного газа. Однако на сегодняшний день ученые способны создавать их на основе миллионов сочетаний химических элементов. Какой же из них окажется наиболее эффективным?

Исследовательская команда Северо-западного университета (штат Иллинойс, США) усиленно работает в этом направлении при помощи усовершенствованного алгоритма. Суперкомпьютер обрабатывает информацию о различных металл-органических структурах и оценивает их с точки зрения вмещения метана, после чего наиболее многообещающие материалы могут быть синтезированы и изучены в лаборатории.

При помощи данного метода ученые обнаружили более 300 новых пористых кристаллов, которые, по их заявлениям, намного эффективнее для хранения природного газа, чем какие-либо из ныне существующих аналогов. Синтезировав некоторые из этих материалов, ученые обнаружили, что по своим параметрам они превосходят требования министерства энергетики США к подобных структурам на 10%. На рисунке отображены некоторые из материалов; оранжевые шарики обозначают молекулы метана – основного компонента природного газа.

Сегодня по всему миру используется более 13 миллионов автомобилей на природном газе, в США, к примеру, на метане работает и большое количество автобусов. Учитывая проблемы на мировом нефтяном рынке и богатые залежи природного газа, обнаруживаемые в последнее время по всему миру, ожидается, что объем транспорта, не использующего нефтепродукты, будет только увеличиваться – так что открытие ученых имеет серьезные перспективы.

Кроме хранения природного газа и использования в автомобильной индустрии, новые металл-органические каркасные структуры могут найти широкое применение в фармакологии, промышленности и химической отрасли – в частности, для производства газосигнализаторов, связывания молекул углекислого газа и создания более качественных катализаторов. Проверить, насколько пригодны те или иные пористые кристаллы для этих целей, можно при помощи разработанного учеными Северо-западного университета алгоритма.

«Сегодня, когда наш объем знаний о синтезе приближается к тому уровню, что мы можем создать практически любой материал, возникает вопрос: «какие именно материалы мы должны создавать?» – замечает руководитель исследования Рэндалл Снурр, занимающий должность профессора химической и биологической инженерии факультета инженерии и прикладных наук. – Проводимое нами исследование дает возможность ответить на этот вопрос и найти наиболее подходящие нашим целям материалы с минимальными затратами».

Алгоритм изучения пористых кристаллов был разработан Кристофером Уилмером, выпускником профессора Снурра. Синтез материалов происходил под контролем Джозефа Хуппа, профессора химии, и Омара Фарха, доцента Вайнбергского колледжа искусства и наук.

«Сегодня исследователи создают материалы, руководствуясь своими представлениями о том, как может выглядеть их атомная структура, – говорит Уилмер. – Раработанный нашей командой алгоритм значительно ускоряет этот процесс при помощи суперкомпьютера».

Исследователи могут определить, какие из миллионов возможных комбинаций металл-органических каркасных структур, созданных на основе библиотеки из 102 химических компонентов, могут быть наиболее эффективны в хранении природного газа. Всего за 72 часа компьютер сгенерировал 137 тысяч гипотетических пористых кристаллов, что намного больше, чем все количество металл-органических структур, о которых заявлено по сегодняшний день учеными всего мира (около 10 тысяч вариантов). Получив данные результаты, команда Северо-западного университета сократила число комбинаций до 300 наиболее пригодных для удержания метана при высоком давлении и комнатной температуре.

Синтезировав металл-органическую каркасную структуру, которая, согласно компьютерной обработке, превышает даже требования министерства энергетики США, ученые доказали, что оно и на практике обладает заявленными свойствами.

С помощью нового алгоритма ученые могут оценить эффективность тех или иных комбинаций пористых кристаллов для определенных целей, вместо того, чтобы действовать как раньше по интуиции. Он помогает обходить сложные места в исследовательском процессе, говорят ученые.

Исследование было проведено научной группой Северо-западного университета при поддержке Агентства по снижению военной угрозы министерства обороны США (DefenseThreatReductionAgency) и научным подразделением министерства энергетики США.

MeganFellman, NorthwesternUniversity, перевод – Наталья Коношенко

http://www.northwestern.edu/newscenter/stories/2011/11/mof-screening.html

  • Дата публикации: 12.12.2011
  • 255

Чтобы оставить комментарий или выставить рейтинг, нужно Войти или Зарегистрироваться