Nanoradiátoros adszorbensek a metán biztonságos tárolására
Angol cím
Nanoradiator-Equipped Adsorbents for Safe and Energy Saving Methane Storage
magyar kulcsszavak
energiatárolás; energiahatékonyság,; energiaátadás és eloszlás; energiával kapcsolatos gazdasági kérdések; széndioxid elnyeletés/csökkentés
angol kulcsszavak
Energy storage Energy system efficiency Energy transfer and distribution Energy-related economical issues CO2 sequestration/reduction
megadott besorolás
Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
35 %
Ortelius tudományág: Fizikai kémia
Kolloidkémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
35 %
Anyagtudomány és Technológia (kémia) (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
30 %
zsűri
Kémia 1
Kutatóhely
Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
résztvevők
Tóth Ajna
projekt kezdete
2013-04-01
projekt vége
2015-03-31
aktuális összeg (MFt)
15.154
FTE (kutatóév egyenérték)
1.00
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A „tiszta energia” társadalom mihamarabbi megvalósulásához nélkülözhetetlen egy, a földgáz biztonságos és energiagazdaságos tárolására szolgáló hatékony adszorbens kifejlesztése. Ennek érdekében célunk olyan újtípusú adszorbens kialakítása, mely egy olyan biztonságos földgáz-tároló rendszer létrehozását teszi lehetővé, mely önmagában képes az adszorpciós hő elvezetésére ill. a deszorpció során a hőigény pótlására. Ezt a célt a hexagonáis szerkezetű grafén és a nagy fajlagos felületű fémorganikus szerkezetek (metal organic framework, MOF) szinergikus hibridizációjával kívánjuk megvalósítani. A nemzetközi team segítségével optimálni kívánjuk a méhsejtszerű grafén és a MOF nanokristályok szintézisét és keressük a grafén - MOF kristályok legszinergetikusabb hibridizációját. A CONCERT együttműködésben a magyar csoport feladata a nanopórusszerkezet felderítése kisszögű röntgenszórással és a jelenlévő víz porozitást befolyásoló hatásának vizsgálata.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Célunk egy „nanoradiátorral” ellátott nagy szorpciós kapacitású adszorbens kifejlesztése, mely alkalmas a metán biztonságos tárolására. Alapegységei a méhsejt szerkezetű grafén és a nagy fajlagos felületű fémorganikus szerkezet (metal organic framework, MOF). A cél elérése érdekében a következő feladatokat kell megodanunk: i) hatékonyföldgáz tároló/kibocsátó rendszer kialakítása,melynek tárolókapacitása kiemelkedő, ugyanakkor a rendszer igen biztonságos. ii) új funkciók kialakítása: önhűtés a tárolási ill. önmelegítés a kibocsátási lépésben, hogy az adszorptív gáztárolási rendszer ne csak biztonságos, de energiatakarékos is legyen.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A nukleáris energiatermelés nemzetközi méretekben tervezett visszaszorulása ill. az új palagáz telepek felfedezése méginkább fontossá teszi a földgáz felhasználását mind a közvetlen felhasználásban, mind az elektromos energia előállításában. A földgáztárolás jelenlegi megoldásai meglehetősen kockázatosak a robbanásveszély miatt. Ezek indokolják az igényét egy olyan hatékony gáztároló és kibocsátó rendszernek, melynek nemcsak energiahatékonysága, de biztonsága is nagy. Az általunk kifejlesztendő rendszer ipari és lakossági méretekben valamint a gépkocsikban egyaránt alkalmazható.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A nukleáris energiatermelés tervezett nemzetközi visszaszorulása ill. az új palagáz telepek felfedezése méginkább fontossá teszi a földgáz felhasználását mind a közvetlen felhasználásban, mind az elektromos energia előállításában. A földgáztárolás jelenlegi megoldásai meglehetősen kockázatosak a robbanásveszély miatt. Ezek indokolják az igényét egy olyan hatékony gáztároló és kibocsátó rendszernek, melynek nemcsak energiahatékonysága, de biztonsága is nagy. A földgáz fő komponense a metán. Egy, a közelmúltban kifejlesztett új anyag, a kiemelkedően nagy gázmegkötő képességgel rendelkező ún. fémorganikus szerkezet (metal organic framework, MOF) alkalmazása kézenfekvő megoldást jelentene, amennyiben a gáz megkötésekor fellépő hő elvezetéséről gondoskodni lehetne. A néhány éve Nobel-díjat érő nanoanyag, a grafén rendelkezik a megfelelő hő- és elektromos vezetőképességgel. A MOF és a grafén optimált kombinációjával olyan hibridanyagot kívánunk előállítani, mely biztosítja a földgáz nagy hatákonyságú és biztonságos tárolását valamint energiahatékony leadását. A projekt nemzetközileg kiemelkedő európai és japán kutatócsoportok összehangolt kutatásában valósul meg.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Development of safe and energy-saving storage of natural gas using an efficient adsorbent is requisite for a clean-energy society (e.g. smart cities) in the near future. With this awareness, we aim to develop a new type of adsorbent that enables construction of a safe natural gas storage system with self-release of heat on adsorption and self-heating for desorption. This objective can be attained by synergetic hybridization of honeycomb-structured graphene and high surface area metal organic framework (MOFs). Therefore, we develop optimum preparation routes for the honeycomb-structured graphene and MOF nanocrystals and search the most synergetic hybridization of the graphene and MOF crystals with the state-of–the-art-based international teams.Within the frame of this CONCERT project Budapest University of Technology and Economics evaluates the total nanoporosity including very narrow micropores with small angle X-ray scattering and examine the effect of coexistent water on the effective nanoporosity.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Development of Nanoradiator-Equipped Adsorbents for Safe and Energy Saving Methane Storage with honeycomb-structured nanographene and high surface area MOFs through the collaboration of world-recognized experts in Europe and Japan. In order to achieve this target i) to develope an efficient storage and release system to natural gas with a remarkably high energy efficiency and great safety. ii) to provide new functions of self-cooling on storage and self-heating on release of natural gas to develope the safe and energy-saving adsorbed natural ga (ANG) system
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Natural gas as clean energy has become more important for application to direct energy, electricity production, and stable energy storage for constant energy supply to human society, because electricity by nuclear plants should seriously decline, whereas an intensive development of shale gas production enhances a stable supply of natural gas. In particular, the present storage of natural gas using the gas holders has a great safety risk of a dangerous explosion. Therefore, we need to develope an efficient storage and release system to natural gas with a remarkably high energy efficiency and great safety. This system must be widely applicable to both home life and industrial uses, in addition to application to automobiles.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Natural gas as clean energy has become more important as direct energy, source of electricity production and stable energy storage for a constant energy supply to human society, because the electricity production by nuclear plants îs forseen to be seriously decline. The present way of storage natural gas has a great safety risk of explosion. There is a need to develope an efficient storage and release system of natural gas with a remarkably high energy efficiency and great safety. Methane is the main component of natural gas. A recently developed new type of material, the so called metal organic frameworks (MOFs) may provide an outstanding sorption capacity for methane storage if the heat evolving when they are filled with the gas can be released. The Nobel-prize winner nanomaterial, graphene on the other hand, has sufficiently high thermal and electrical conductivities, which can provide the heat release on adsorption and easy heating of the adsorbent for desorption during methane delivery. An optimized combination of MOF nanocrystals and nanographene is envisaged to be an ideal adsorbent for the safe natural gas storage. We will develop Nanoradiator-Equipped Adsorbents for Safe and Energy Saving Methane Storage with honeycomb-structured nanographene and high surface area MOFs through the concerted collaboration of four world-recognized experts from Europe and one from Japan.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A kétéves nemzetközi együttműködés során vizsgáltuk egy, a metán biztonságos adszorpciós tárolására és reverzibilis kinyerésére alkalmas szorbens kialakításának lehetőségét. Az eredeti koncepció a kiemelkedően nagy szorpciós kacitású fémorganikus térháló (MOF) és a kiemelkedő hővezetésű szuper-makropórusos grafén monolit társítása volt. A grafén szerepe a tárolási lépésben az adszorpciós hő elvezetése, a kinyerési lépésben a deszorpcióhoz szükséges hő átadása. Makropórusos széngél hordozókat is vizsgáltunk. A kiválasztott modellrendszerekkel még nem sikerült a szorpciós tulajdonságok előnyös társítása, a hibrid szorbens szorpciós kapacitása minden esetben elmaradt az összetétel alapján várhatótól. Szisztematikus, széleskörű és egymást kiegészítő vizsgálati módszerekkel végzett kísérleteink ugyanakkor számos, a további munkát segítő eredményekre vezettek: i) a képződő kristályok minden esetben csak a felületen jelentek meg; ii) a hordozó felületkémiai tulajdonságai (sav/bázis jelleg) meghatározóak a MOF kialakulásában. Bázikus felületen HKUST-1 helyett Cu2O képződik; iii) a HKUST-1 önmagában érzékeny a vízgőzre, érzékenysége függ a relatív páratartalomtól (RH). iv) Alacsony RH-n a kristályok mérete csökken és hibahelyek alakulnak ki. Magasabb RH-n a torzulások eltűnnek és az irodalom által hidratált HKUST-1-nek tartott kristályszerkezet alakul ki. Célszerűnek tartjuk a téma folytatását összehangolt nemzetközi keretek közt.
kutatási eredmények (angolul)
Within this two-year international cooperation we aimed to synthesize a smart adsorbent for safe and energy efficient methane adsorption. The concept was to couple the outstandingly high gas adsorption capacity of metal organic frameworks (MOFs) with the outstanding heat conductivity of graphene. The latter could remove the heat in the sorption cycle and provide the heat for the desorption step. Besides supermacroporous graphene monolith, macroporous carbon aerogel support was also studied. The selected model systems failed to reach the target, as the sorption properties of the hybrid materials were always below the theoretical performance estimated from the composition of the hybrid. Nevertheless, the systematic, wide range and multimethod approach of the team led to several conclusion which foster further progress. It was observed that i) crystals only developed on the external surface of the support in spite of the wide porosity; ii) the acid/base properties of the support surface are of crucial importance as no MOF developed on basic surface but Cu2O; iii) the MOF itself studied here (HKUST-1) is very sensitive to water vapour and this sensitivity depends on the relative humidity (RH). iv) At low RH the crystalline size gets smaller and defects develop. At higher RH these defects smooth out and a new crystalline form considered as HKUST-1 hydrate develops. We believe that further concerted international efforts would succeed in this sorbent development.
Muriel Józó, Balázs Nagy, Erik Geissler, Krisztina László: Potential of Ionic Liquids in Tailoring the Structure of Carbon Aerogels, 10th CHARACTERIZATION OF POROUS SOLIDS 2014. 05. 11-14., Granada, Spain, 2014
Dániel Ábrahám, János Madarász, Dániel Kalmár, Krisztina László: Copper-Btc Metal-Organic Framework for CH4 Storage, 6th SZEGED INTERNATIONAL WORKSHOP ON ADVANCES IN NANOSCIENCE 2014. 10. 15-18., Szeged, Hungary, 2014
Barbara Berke, Dániel Ábrahám, László Sós, Bence Pőcze, Gábor Dobos, Krisztina László: Effect of Temperature on Thermal Reduction of Graphene Oxide, OLÁH GYÖRGY DOKTORI ISKOLA XII. KONFERENCIÁJA 2015. 02. 05., Budapest, Hungary, 2015
Dániel Ábrahám, Béla Koczka, János Madarász, Krisztina László: Metal-Organic Framework ̶ Reduced Graphene Oxide Composites, OLÁH GYÖRGY DOKTORI ISKOLA XII. KONFERENCIÁJA 2015. 02. 05., Budapest, Hungary, 2015
Barbara Berke, Dániel Ábrahám, László Sós, Bence Pőcze, Gábor Dobos, Krisztina László: Thermal Reduction of Graphene Oxide, ENSOR WORKSHOP 2015. 03. 05. Brighton, Great Britain, 2015
Balázs Nagy, Laura P. Nichele, Dániel Ábrahám, Krisztina László: Effect of Carbon Surface Chemistry on MOF-Carbon Aerogel Composites, CARBON BASED NANOPOROUS MATERIALS 4, 2015. 03. 16-18., Nagano, Japan, 2015
Dániel Ábrahám, Béla Koczka, János Madarász, Lucia Carlucci, Krisztina László: HKUST-1 Formation on RGO Surface: Effect of Solvent Pre-impregnation, CARBON BASED NANOPOROUS MATERIALS 4, 2015. 03. 16-18., Nagano, Japan, 2015
