Metal-Organik Kafes Bileşiği, Metan Depolama Rekoru Kırdı
Fotoğraf 1. HKUST-1’in bu 1 cm3‘lük kısımları muazzam miktarda metan adsorbe edebiliyor.
Rekor miktarda metanı emen gözenekli bir malzeme, doğal gazla çalışan daha ekonomik araçların kullanımına zemin hazırlayabilir (Nat.Mater. 2017, DOI: 10.1038/nmat5050).
Metan gazı ile çalışan otomobiller, çok benzin yakan otomobillerden daha az CO2 yayar, ancak gazı taşımak için yaklaşık 250 atm’ye dayanıklı pahalı tanklara ve kompresörlere ihtiyaç duyarlar. Organik dikmelere bağlı, metal içerikli düğümlerden oluşan bazı belli başlı metal organik kafes (MOF) bileşikleri, gaz moleküllerini boşluklarının içinde sıkıca biriktirir. Bu sayede daha düşük basınçlarda metan depolayabilir. Dolayısıyla bu bileşikler prensip olarak, metan gazıyla çalışan arabaların; daha ucuz, daha hafif ve daha güvenli depoları kullanmalarına olanak sağlayabilir. Fakat uygulamalı testlerde, oda sıcaklığında ve 64 atm’de yüksek basınç tanklarının kapasitesine uygun, ABD Enerji Bakanlığı (DOE)’nın 1 cm3 adsorban başına 263 cm3 metan adsorbe edilmesi şeklindeki gaz depolama hedefini karşılayan hiçbir malzeme bulunmamaktadır.
Cambridge Üniversitesi’nden David Fairen-Jimenez liderliğindeki bir ekip, bu koşullar altında 1 cm3 adsorban başına 259 cm3 metan depolama kapasitesine sahip (şu an en yakın rakibinden en az %50 oranında daha yüksek) iyi bilinen bir metal organik kafes bileşiği sağlayan bir sentez yöntemi geliştirdi. Harvard Üniversitesi’nde araştırmaya katılmamış ve bu bileşikler ile diğer enerji malzemeleriyle çalışan Jarad A. Mason, “Kesinlikle önemli bir sonuç” diyor. “Kapasite, en büyük engeller arasında yer alıyor.”
Basınç, bir tanktan iyi bir gaz akışını sürdürebilmek için gereken asgari değer olan 6 atm’ye düştüğünde, bileşiğin depoladığı metanın sadece yaklaşık üçte ikisi serbest bırakıldı. Fakat bu değer, hala herhangi bir bulk (kalıp şeklindeki malzeme) adsorbentin en yüksek metan temin kapasitesidir.
Fotoğraf 2. HKUST-1’in kristal yapısının görünüşü. Kırmızı oksijen, mavi bakır, yeşil karbondur.
Bir metal-organik kafes bileşiği olan HKUST-1, 1,3,5-benzenetrikarboksilat bağlayıcılarla bağlı bakır düğümleri içerir. Teorik hesaplamalar HKUST-1’in 64 atm’de 1 cm3 başına 270 cm3 metan tutabildiğini göstermektedir. Fakat MOF’ler genellikle toz olarak yapılır ve pratik uygulamalar için pelet haline getirilirler. Bu uygulama MOF’ın iç yapısını çökertme eğilimindedir ve bu da gaz kapasitesinin üçte bir oranında azalmasına neden olur.
Bu kısıtlamanın üstesinden gelmek için Fairen-Jimenez’in ekibi, bir sol-jel (ince asıltılı pelte) yöntemi kullanarak HKUST-1 öbeği oluşturdu. Araştırmacılar, MOF’ın öncü maddelerini etanol içerisinde karıştırarak, oluşan parçacıkları santrifüjlediler ve daha sonra gece boyunca oda sıcaklığında kurumalarını beklediler. Bu süre zarfında; bağlayıcı moleküller, parçacıklar arasında köprüler oluşturarak, dayanıklı, toz haline getirilmiş HKUST-1’den daha yoğun olan tek parça halinde bir 1 cm3 boyutunda bir blok oluşturdular.
Fairen-Jimenez, bir arabanın çalışması için gaz tankının bu MOF’tan yaklaşık 60 kg’a ihtiyaç duyacağını tahmin ediyor. Şimdiye kadar, Fairen-Jimenez ve ekibi, sentez yöntemlerinin sürekli akışlı bir uyarlamasını kullanarak yüzlerce gram yüksek kapasiteli HKUST-1 üretebildi. Spin-out[1] şirketleri olan Immaterial Labs, gelecek yıl kilogram ölçekli üretimi başarmayı hedeflemektedir.
2013’te BASF[2], MOF tabanlı gaz depolama tanklarına sahip tanıtım araçlarını sergiledi. Fakat MOF’un yüksek maliyeti, düşük petrol fiyatları ile birlikte ticari piyasaya sürülmesini engelledi. Buna rağmen, Mason tarafından yazılmış olan bir tekno-ekonomik analiz yazıda, HKUST-1 gibi yaygın MOF’ların üretiminin arttırılmasının, özellikle daha ucuz çözücüler ve sürekli akış yöntemleri kullanıldığında maliyetinin 20 $ ‘dan daha düşük bir fiyata indirgenebileceği öngörülmektedir (Energy & Fuels 2017, DOI: 10.1021 / acs.energyfuels.6b02510).
[1] Bir şirket ile ana şirketi tarafından kurulan yeni şirkete spin-out şirketi denir. Bu şirketin sahiplik ve kontrolü ana şirket, yönetim kadrosu ve risk sermayesi şirketi arasında dengelenmekte ve hiçbir ortaklıkta %50 den fazla pay alınmamaktadır.
[2] Açılımı “Badische Anilin- & Soda-Fabrik” olan ve portföyünde kimyasallar, boya, petrol ve gaz, performans ürünleri ve tarımsal ürünler ile gıda ve plastikler yer alan Almanya’da kurulmuş temeli 1865’e dayanan bir şirket.
Kaynak: acs.org
