El hidrógeno se considera a menudo como el combustible del futuro debido a su cero emisiones y su alta densidad de energía gravimétrica, lo que significa que almacena más energía por unidad de masa en comparación con la gasolina.Sin embargo, su baja densidad volumétrica significa que ocupa una gran cantidad de espacio, lo que plantea desafíos para un almacenamiento y transporte eficientes.

Para solucionar estas deficiencias, el hidrógeno debe comprimirse en tanques a una presión de 700 bares, que es extremadamente alta.Esta situación no sólo incurrealtos costospero también plantea preocupaciones de seguridad.

Para que los vehículos de pila de combustible (FCV) impulsados ​​por hidrógeno se generalicen, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha establecido objetivos específicos parasistemas de almacenamiento de hidrógeno: El 6,5% del peso del material de almacenamiento debe ser hidrógeno (capacidad de almacenamiento gravimétrico del 6,5% en peso%), y un litro de material de almacenamiento debe contener 50 gramos de hidrógeno (una capacidad de almacenamiento volumétrico de 50 g L^â1).Estos objetivos garantizan que los vehículos puedan recorrer distancias razonables sin exceso de combustible.

Una estrategia prometedora para lograr estos objetivos es desarrollar materiales adsorbentes porosos, comoestructuras metalorgánicas(MOF), estructuras orgánicas covalentes (COF) y polímeros orgánicos porosos (POP).Todos estos materiales comparten una característica común: poseen una estructura porosa que les permite atrapar y almacenar eficazmente el gas hidrógeno.Este enfoque también tiene como objetivo facilitar el almacenamiento de hidrógeno a una presión más baja, por ejemplo dentro de los 100 bar.

A pesar de los avances para superar el objetivo gravimétrico del DOE, muchos materiales adsorbentes todavía luchan por satisfacer las necesidades de capacidad volumétrica, y pocos pueden equilibrar los objetivos volumétricos y gravimétricos.Desde un punto de vista industrial, la capacidad volumétrica es más crucial que la capacidad gravimétrica, ya que los tanques de almacenamiento de los vehículos tienen un espacio limitado.

El volumen de un sistema de almacenamiento de hidrógeno afecta directamente la autonomía de conducción de los FCV.Por lo tanto, es esencial desarrollar adsorbentes de hidrógeno que maximicen la capacidad volumétrica manteniendo una excelente capacidad gravimétrica.Lograr este objetivo implica equilibrar una superficie volumétrica y gravimétrica elevada dentro del mismo material.

Los investigadores están investigando diversos materiales para el almacenamiento de hidrógeno, siendo el ensamblaje de cristales supramoleculares orgánicos a partir de moléculas orgánicas mediante interacciones no covalentes una opción prometedora debido a su reciclabilidad.Sin embargo, su potencial permanece en gran medida sin explotar, porque es difícil diseñar cristales supramoleculares con áreas de superficie gravimétricas y volumétricas altas y equilibradas, manteniendo al mismo tiempo la estabilidad.

Un fenómeno conocido como catenación, que involucra redes entrelazadas mecánicamente en materiales porosos, generalmente mejora la estabilidad.La catenación, sin embargo, a menudo reducesuperficiebloqueando superficies accesibles, haciendo que el material sea menos poroso y generalmente indeseable para el almacenamiento de hidrógeno.Generalmente se hacen esfuerzos para minimizarlo o evitarlo.

Para desbloquear el potencial de los cristales supramoleculares para el almacenamiento de hidrógeno, un equipo de investigación colaborativo dirigido por el profesor Fraser STODDART, junto con los profesores asistentes de investigación, el Dr. Chun Tang y el Dr. Ruihua Zhang del Departamento de Química de la Universidad de Hong Kong (HKU), y el profesor Randall Snurr del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad Northwestern, EE. UU., demostraron una "estrategia de catenación de punto de contacto" controlada.

La investigación espublicadoen el diarioQuímica de la naturaleza.

Este enfoque innovador utilizaenlaces de hidrógeno, cuya sección transversal puede verse como un "punto", en lugar del apilamiento tradicional [Ï···Ï] que implica una gran superposición de "superficie", para guiar la catenación de una manera precisa en supramoleculares.cristales.Con base en esta estrategia, los investigadores crean un marco bien organizado que minimiza la pérdida de superficie causada por la interpenetración y adapta el diámetro de los poros (~1,2-1,9 nm) para un almacenamiento óptimo de hidrógeno.

Como resultado, el equipo de investigación obtuvo un cristal supramolecular con una gravimetría récord (3.526 m2gramo^â1) y volumétrico equilibrado (1.855 m²centímetro^â3) áreas de superficie entre todos los cristales (supra)moleculares reportados, además de una alta estabilidad, mientras que (i) logra una excelente capacidad volumétrica a nivel de material (53,7 g L^â1), (ii) equilibrar la alta capacidad gravimétrica (9,3 % en peso) para el almacenamiento de hidrógeno en condiciones prácticas de cambio de presión y temperatura (77 K/100 bar â 160 K/5 bar), y (iii) superar el sistema definitivo del DOE.^{objetivos de nivel (50 g Lâ1}y 6,5% en peso tanto volumétrica como gravimétricamente, aunque a temperaturas criogénicas.^{Diseño innovador}Diseñar cristales supramoleculares orgánicos que equilibren áreas superficiales gravimétricas y volumétricas altas, manteniendo al mismo tiempo una alta estabilidad, es un desafío trascendental, que ha obstaculizado su potencial para muchas aplicaciones.

Sin embargo, el equipo ha propuesto una estrategia de catenación de contacto puntual que utiliza interacciones de contacto puntual que involucran enlaces de hidrógeno para minimizar la pérdida de superficie durante la catenación.

Esta estrategia de diseño dota a estos cristales supramoleculares de superficies volumétricas y gravimétricas equilibradas, alta estabilidad y tamaños de poro ideales para el almacenamiento de hidrógeno.

Esta investigación desbloquea el potencial de los cristales supramoleculares orgánicos como candidatos prometedores para el almacenamiento de hidrógeno a bordo y destaca el potencial de una estrategia de catenación direccional en el diseño de materiales porosos robustos para aplicaciones.

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