Tinh thể siêu phân tử hữu cơ có hiệu suất lưu trữ hydro cao có thể nâng cao hiệu quả của xe chạy bằng pin nhiên liệu
của Đại học Hồng Kông
Phân tích catenation và cấu trúc siêu tinh thể của RP-H100 và RP-H101. Nguồn: Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01622-w
Hydro thường được coi là nhiên liệu của tương lai vì không phát thải và mật độ năng lượng trọng lượng cao, nghĩa là nó lưu trữ nhiều năng lượng hơn trên một đơn vị khối lượng so với xăng. Tuy nhiên, mật độ thể tích thấp của nó có nghĩa là nó chiếm một lượng lớn không gian, đặt ra thách thức cho việc lưu trữ và vận chuyển hiệu quả.
Để giải quyết những thiếu sót này, hydro phải được nén trong bình chứa ở áp suất 700 bar, đây là áp suất cực cao. Tình huống này không chỉ gây ra chi phí cao mà còn làm dấy lên những lo ngại về an toàn.
Để xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro (FCV) trở nên phổ biến, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã đặt ra các mục tiêu cụ thể cho hệ thống lưu trữ hydro: 6,5% trọng lượng vật liệu lưu trữ phải là hydro (sức chứa theo trọng lượng là 6,5 wt%) và một lít vật liệu lưu trữ phải chứa 50 gam hydro (sức chứa theo thể tích là 50 g L‒1). Các mục tiêu này đảm bảo rằng xe có thể di chuyển quãng đường hợp lý mà không cần quá nhiều nhiên liệu.
Một chiến lược đầy hứa hẹn để đạt được các mục tiêu này là phát triển các vật liệu hấp phụ xốp, chẳng hạn như khung kim loại hữu cơ (MOF), khung hữu cơ cộng hóa trị (COF) và polyme hữu cơ xốp (POP). Tất cả các vật liệu này đều có một đặc điểm chung: chúng sở hữu cấu trúc xốp cho phép chúng bẫy và lưu trữ khí hydro hiệu quả. Phương pháp tiếp cận này cũng nhằm mục đích tạo điều kiện lưu trữ hydro ở áp suất thấp hơn, chẳng hạn như trong phạm vi 100 bar.
Mặc dù có những tiến bộ trong việc vượt qua mục tiêu trọng lượng của DOE, nhiều vật liệu hấp phụ vẫn gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu về dung tích thể tích và rất ít vật liệu có thể cân bằng cả mục tiêu thể tích và trọng lượng. Theo quan điểm công nghiệp, dung tích thể tích quan trọng hơn dung tích trọng lượng vì các bồn chứa của xe có không gian hạn chế.
Thể tích của hệ thống lưu trữ hydro ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi lái của FCV. Do đó, việc phát triển các chất hấp phụ hydro có thể tối đa hóa dung tích thể tích trong khi vẫn duy trì dung tích trọng lượng tuyệt vời là điều cần thiết. Để đạt được mục tiêu này, cần phải cân bằng diện tích bề mặt thể tích và trọng lượng cao trong cùng một vật liệu.
Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu nhiều vật liệu khác nhau để lưu trữ hydro, với việc lắp ráp các tinh thể siêu phân tử hữu cơ từ các phân tử hữu cơ thông qua các tương tác không cộng hóa trị, đây là một lựa chọn đầy hứa hẹn do khả năng tái chế của chúng. Tuy nhiên, tiềm năng của chúng vẫn chưa được khai thác nhiều vì việc thiết kế các tinh thể siêu phân tử có diện tích bề mặt trọng lượng và thể tích cao cân bằng, đồng thời vẫn duy trì được tính ổn định là rất khó.
Một hiện tượng được gọi là catation, liên quan đến các mạng lưới liên kết cơ học trong các vật liệu xốp, thường làm tăng tính ổn định. Tuy nhiên, catenation thường làm giảm diện tích bề mặt bằng cách chặn các bề mặt có thể tiếp cận, khiến vật liệu ít xốp hơn và thường không mong muốn để lưu trữ hydro. Người ta thường nỗ lực để giảm thiểu hoặc tránh điều này.
Phân tích sự thâm nhập lẫn nhau của RP-H100 và RP-H101. Nguồn: Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01622-w
Để mở khóa tiềm năng của các tinh thể siêu phân tử để lưu trữ hydro, một nhóm nghiên cứu hợp tác do Giáo sư Fraser STODDART đứng đầu, cùng với các Phó giáo sư nghiên cứu, Tiến sĩ Chun Tang, Tiến sĩ Ruihua Zhang từ Khoa Hóa học, Đại học Hồng Kông (HKU) và Giáo sư Randall Snurr từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học, Đại học Northwestern, Hoa Kỳ, đã trình diễn một "chiến lược catenation tiếp xúc điểm" được kiểm soát.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Chemistry.
Cách tiếp cận sáng tạo này sử dụng liên kết hydro, mặt cắt ngang của liên kết này có thể được xem như một "điểm", thay vì xếp chồng [π···π] truyền thống liên quan đến sự chồng chéo "bề mặt" lớn, để hướng dẫn catation theo cách chính xác trong các tinh thể siêu phân tử. Dựa trên chiến lược này, các nhà nghiên cứu tạo ra một khuôn khổ được tổ chức tốt giúp giảm thiểu mất mát bề mặt do sự thâm nhập lẫn nhau và điều chỉnh đường kính lỗ rỗng (~1,2–1,9 nm) để lưu trữ hydro tối ưu.
Kết quả là, nhóm nghiên cứu đã thu được một tinh thể siêu phân tử có diện tích bề mặt trọng lượng cao kỷ lục (3.526 m2 g‒1) và thể tích cân bằng (1.855 m2 cm‒3) trong số tất cả các tinh thể (siêu) phân tử đã báo cáo, ngoài độ ổn định cao, trong khi (i) mang lại khả năng thể tích ở cấp độ vật liệu tuyệt vời (53,7 g L‒1), (ii) cân bằng khả năng trọng lượng cao (9,3 wt%) để lưu trữ hydro trong điều kiện áp suất và nhiệt độ thực tế (77 K/100 bar → 160 K/5 bar) và (iii) vượt qua các mục tiêu cấp hệ thống cuối cùng của DOE (50 g L‒1 và 6,5 wt%) cả về mặt thể tích và trọng lượng, mặc dù ở nhiệt độ cực lạnh.
Thiết kế sáng tạo
Thiết kế các tinh thể siêu phân tử hữu cơ cân bằng bề mặt trọng lượng và thể tích cao
diện tích bề mặt, trong khi vẫn duy trì độ ổn định cao, là một thách thức quan trọng, cản trở tiềm năng của nó đối với nhiều ứng dụng.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một chiến lược catation điểm tiếp xúc sử dụng các tương tác điểm tiếp xúc liên quan đến liên kết hydro để giảm thiểu mất bề mặt trong quá trình catation. Chiến lược thiết kế này cung cấp cho các tinh thể siêu phân tử này diện tích bề mặt thể tích và trọng lượng cao cân bằng, độ ổn định cao và kích thước lỗ lý tưởng để lưu trữ hydro.
Nghiên cứu này mở ra tiềm năng của các tinh thể siêu phân tử hữu cơ như những ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc lưu trữ hydro trên tàu và làm nổi bật tiềm năng của chiến lược catation định hướng trong việc thiết kế các vật liệu xốp chắc chắn cho các ứng dụng.
