天然气储存研究可以对抗全球变暖

为了帮助对抗全球变暖，由德克萨斯 A&M 大学的 Mert Atilhan 博士和韩国科学技术高等研究院 (KAIST) 的Cafer Yavuz 博士领导的一个团队正在研究一种可以更有效地储存天然气的新型多孔聚合物比目前使用的任何东西。他们的研究重点是吸附天然气 (ANG)，这是一种储存天然气的过程，是一种比压缩天然气和液化天然气更安全、更便宜的替代品。

天然气作为燃料燃烧更清洁，使其成为车辆的有用替代品，以及烹饪、取暖或运行发电机等应用。它主要含有甲烷和乙烷，二氧化硫排放量几乎为零，氮氧化物和颗粒物排放量也少得多。天然气释放的二氧化碳(温室气体的主要原因)也比石油少近 30%，比煤炭少 43%。

“目前，由于过度使用煤炭和石油，我们正面临与全球变暖有关的严重问题，”阿蒂尔汉说。“天然气是一种更清洁的来源，在美国、地中海和世界其他地方正在勘探大量天然气。如果天然气能够有效储存，即使在偏远地区也可以轻松利用领域。我们也有很高的愿望将这些材料用于车辆应用，这是全球变暖的主要原因之一。

吸附气体从表面收集冷凝气体。这些轻质气体在环境温度下具有非常高的蒸气压，它们的储存需要高压压缩、吸附剂(吸附另一种物质的固体物质)系统或极端降低温度。在 ANG 工艺中，天然气在相对较低的压力(100 至 900 psi)和环境温度下吸附到多孔吸附剂上，解决了高压和低温问题。

Atilhan 和 Yavuz 自 2008 年以来一直在合作开发用于气体捕获和分离的新材料。在过去的几年里，他们一直在专门研究将天然气储存在新型多孔材料中。该团队专注于网络聚合物的膨胀机制。这个想法是在吸附剂上加压天然气，使其膨胀并吸收大量气体。在消耗(解吸)期间，溶胀的聚合物会释放气体，直到完全放气。

“通过这项工作，我们正在引入一种新的塑料基材料，可以非常有效地储存天然气，”Atilhan 说。“我们打破了天然气储存的世界纪录，并且远远超过了由美国能源部 (DOE) 确定的可行材料目标。但它的生产成本非常便宜，这使得它甚至在广泛的应用中使用它更具吸引力。”

“我们从不同的角度研究了 ANG 吸附剂的设计，大多数研究都集中在通过引入更多孔体积来提高上限，即总容量，”Yavuz 说，并补充说，更多的孔体积也意味着更多的剩余气体，因为它仍然存在即使压力低于车辆所需的最低油箱压力，也能舒适地储存。“我们说，'让我们确保多孔材料在解吸到最小压力时全部挤出。'”

这种膨胀/收缩机制也解决了某些 ANG 问题。事实证明，所有吸附剂在与气体接触时都会升温，这会导致各种问题，更不用说新的安全风险了。

Atilhan 说，通过让吸附剂通过自身膨胀释放能量，他们可以同时解决许多问题。通过保持吸附剂不加热，它们可以获得最大的性能。由于热管理是工程燃料系统中绝对关键的设计特征，因此它们消除了可能出现的任何不安全的压力峰值，因为温度波动和污染最小化，因为当没有气体储存时吸附剂保持收缩状态。

为了加快对其技术的可行性检查，该团队开始研究真正的气瓶。

“实验室结果很好，但在将你的技术推向现实生活时，你总是有这个假设问题，”Vepa Rozyyev 说，他是在Nature Energy上发表的一篇关于该研究的文章的第一作者，他后来离开了KAIST 到芝加哥大学攻读博士学位。他说为了测试它，他们去了一个加油站，将加压喷嘴粘在一个装满吸附剂的圆筒上。他们的材料至少以 20% 的优势击败了顶级工业和文学作品。这也标志着任何研究首次进行此类现场测试。

团队对这项工作将带来的前景和可能性感到兴奋。“这只是开始，”亚武兹说。“我们基于我们的概念设想了一系列新的设计和机制。由于天然气是比煤炭更清洁的燃料，这一领域的新发展将有助于转向污染较少的燃料。”

Atilhan 同意他们的研究最重要的影响是对环境的影响。他说，通过使用天然气而不是煤炭或石油来降低有毒气体排放，将显着减少各种来源排放的温室气体排放。

“这也将有助于降低酸/酸气体捕集作业的运营成本，因为我们建议储存更清洁的燃料来源，并用这些材料取代目前最先进的燃料储存材料，”他说。“我们相信有一天我们可能会看到配备我们的材料的车辆使用更清洁的燃料来源——天然气。”