{"id":134785,"date":"2021-05-04T08:48:32","date_gmt":"2021-05-04T07:48:32","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134785"},"modified":"2021-05-04T08:48:32","modified_gmt":"2021-05-04T07:48:32","slug":"almacenamiento-de-h2-en-materiales-mof","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2021\/05\/04\/134785","title":{"rendered":"Almacenamiento de H2 en materiales MOF"},"content":{"rendered":"

Autores:<\/strong>\u00a0Elena Garc\u00eda, Jes\u00fas Tapiador, Isabel Aguayo, Gisela Orcajo, Carmen Martos, Juan \u00c1ngel Botas, Guillermo Calleja<\/strong><\/p>\n

Grupo de Ingenier\u00eda Qu\u00edmica y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos<\/strong><\/p>\n

<\/strong>C\/ Tulip\u00e1n, s\/n, 28933, M\u00f3stoles, Madrid<\/strong><\/p>\n

En la actualidad, el petr\u00f3leo, el carb\u00f3n y el gas natural constituyen m\u00e1s del 70 % del consumo energ\u00e9tico seg\u00fan la Agencia Internacional de Energ\u00eda [1]. El alto impacto ambiental que conlleva el uso de combustibles f\u00f3siles ha provocado el desarrollo de nuevas fuentes de energ\u00eda limpias y sostenibles [2].<\/span><\/p>\n

En este contexto, la producci\u00f3n, almacenamiento y uso de la energ\u00eda se ha convertido en una prioridad debido a la creciente demanda de \u00e9sta en todo el mundo. A esto se a\u00f1ade que estos procesos deben ser sostenibles y medioambientalmente respetuosos, por lo que se est\u00e1n buscando fuentes de energ\u00edas limpias alternativas que sean eficientes y competitivas econ\u00f3micamente [3].<\/span><\/p>\n

De esta manera, el hidr\u00f3geno se considera como una alternativa ideal a los combustibles f\u00f3siles, siempre y cuando sea producido empleando energ\u00eda primaria renovable, debido a que su combusti\u00f3n produce electricidad y agua como \u00fanico producto. Sin embargo, a pesar de ser uno de los portadores de energ\u00eda m\u00e1s prometedores, todav\u00eda es necesario implementar mejoras en su trasporte y almacenamiento [4]. El desarrollo de sistemas de almacenamiento de hidr\u00f3geno seguros y efectivos es fundamental para su uso en las tecnolog\u00edas de pilas de combustible. Una de las principales dificultades es que el hidr\u00f3geno gaseoso difunde y se expande f\u00e1cilmente ocupando un gran volumen, por lo que se necesitar\u00edan sistemas de almacenamiento de tama\u00f1o adaptado al espacio disponible en los veh\u00edculos. Adem\u00e1s, los m\u00e9todos de almacenamiento convencionales requieren presiones extremadamente altas que se traducen en la necesidad de tanques de almacenamiento pesados por cuestiones de seguridad, y un consumo de energ\u00eda elevado para la compresi\u00f3n hasta presiones de hasta 350 \u2013 700 bar. Estos dos inconvenientes son grandes obst\u00e1culos y requieren el desarrollo de materiales capaces de almacenar elevadas cantidades de hidr\u00f3geno en condiciones moderadas [5]. Entre los diversos enfoques existentes, el almacenamiento de hidr\u00f3geno basado en materiales porosos es considerado como una soluci\u00f3n prometedora debido a la excelente reversibilidad, buena cin\u00e9tica y la posibilidad de almacenar hidr\u00f3geno a bajas presiones (< 100 bar) [6]. Para obtener mejoras en esta direcci\u00f3n, el Departamento de Energ\u00eda de los Estados Unidos (DOE) ha establecido que en el a\u00f1o 2025 el objetivo de almacenamiento de hidr\u00f3geno sea del 6,5 % en peso de capacidad gravim\u00e9trica y 50 g\/L de capacidad volum\u00e9trica a temperaturas comprendidas entre -40 y 60 \u00baC y a presi\u00f3n inferior a 100 bar [7].<\/strong><\/span><\/p>\n

En este contexto, los materiales porosos tipo MOF (\u201cMetal-Organic Framework\u201d<\/em>) han atra\u00eddo la atenci\u00f3n como materiales porosos para el almacenamiento de hidr\u00f3geno, siendo unos de los materiales porosos m\u00e1s investigados a d\u00eda de hoy [8-12]. Estos materiales presentan elevada porosidad y caracter\u00edsticas superficiales que los hacen adecuados para la fisisorci\u00f3n de hidr\u00f3geno [13, 14]. Se ha comprobado que los materiales MOF muestran una gran capacidad de adsorci\u00f3n de diferentes gases [15], habi\u00e9ndose estudiado gran variedad de materiales para el almacenamiento de hidr\u00f3geno [16-19].<\/strong><\/span><\/p>\n

Los MOF se pueden definir como s\u00f3lidos cristalinos que se forman mediante el autoensamblaje de cl\u00fasteres met\u00e1licos inorg\u00e1nicos y ligandos org\u00e1nicos, que permiten m\u00faltiples combinaciones, modificando as\u00ed sus propiedades para orientarlos a una aplicaci\u00f3n concreta [20-21].<\/span><\/p>\n

Para dirigir la s\u00edntesis de una estructura MOF en particular, es necesario controlar las condiciones de s\u00edntesis (precursores, temperatura, tiempo, etc.). Espec\u00edficamente, los ligandos con \u00e1cidos carbox\u00edlicos son unos de los m\u00e1s empleados para la formaci\u00f3n de estas estructuras. Como se puede observar en la estructura de uno de los MOFs m\u00e1s extendidos, el MOF-5 (Fig.1.<\/strong>), los agregados metal-carboxilato dan lugar a una clase de unidades de construcci\u00f3n secundarias (SBUs), que se coordinan a mol\u00e9culas org\u00e1nicas para dar lugar a redes cristalinas con diferentes caracter\u00edsticas estructurales y topol\u00f3gicas.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 1. Unidades b\u00e1sicas que forman la red del MOF-5.<\/em><\/p>\n

Cabe destacar que el t\u00e9rmino de unidad de construcci\u00f3n secundaria (SBUs) es un t\u00e9rmino descrito por primera vez por Yagui et al. en 1995 [22], y juega un factor clave en el dise\u00f1o de los MOF ya que les confiere estabilidad mec\u00e1nica y versatilidad dependiendo de la naturaleza del metal y del ligando org\u00e1nico.<\/span><\/p>\n

Entre todas estas caracter\u00edsticas, las que diferencian a los materiales MOF del resto de materiales porosos son su elevada cristalinidad, la presencia de una estructura de porosidad permanente, adem\u00e1s de su fascinante combinaci\u00f3n de funcionalidad qu\u00edmica procedente del ligando org\u00e1nico y la parte met\u00e1lica, confiri\u00e9ndoles una gran variedad estructural y de composici\u00f3n, debido al amplio abanico de constituyentes que se pueden emplear para su s\u00edntesis.<\/span><\/p>\n

Por ello, el Grupo de Ingenier\u00eda Qu\u00edmica y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos trabaja en el dise\u00f1o y s\u00edntesis de nuevos materiales MOF para el almacenamiento de hidr\u00f3geno, en el marco de proyectos de investigaci\u00f3n financiados por la Comunidad de Madrid como es el Programa ACES2030-CM, y del Ministerio de Econom\u00eda y Competitividad, como es el proyecto \u201cDise\u00f1o de materiales Metal-Org\u00e1nicos selectivos para la valorizaci\u00f3n del CO2<\/sub> y el almacenamiento de hidr\u00f3geno\u201d (PGC2018-099296-B100).<\/span><\/p>\n

Adem\u00e1s, este grupo de investigaci\u00f3n cuenta ya con una amplia experiencia de m\u00e1s de 15 a\u00f1os en el campo de la s\u00edntesis de materiales MOF para su aplicaci\u00f3n en el almacenamiento de hidr\u00f3geno, entre otras aplicaciones de adsorci\u00f3n y catal\u00edticas. En algunos de sus trabajos m\u00e1s recientes se han sintetizado materiales novedosos a partir de ligandos tetrat\u00f3picos no comerciales derivados del \u00e1cido tereft\u00e1lico, cuya ruta org\u00e1nica ha sido desarrollada en nuestro laboratorio. En concreto, se han utilizado para cristalizar estructuras con los ligandos \u00e1cido 5,5\u2019-(diazeno-1,2-diil) diisoft\u00e1lico (URJC-3) [23], \u00e1cido 5,5\u2019-(etino-1,2-diil) diisoft\u00e1lico (URJC-4) [24], o con el \u00e1cido 5,5\u2019tiodiisoft\u00e1lico (URJC-5, URJC-6, URJC-7) [25] (Fig. 2.<\/strong>).<\/span><\/p>\n

Parte de este estudio se centra en la influencia de los distintos grupos funcionales en los ligandos org\u00e1nicos sobre la topolog\u00eda de las estructuras obtenidas, as\u00ed como sobre sus propiedades de adsorci\u00f3n de hidr\u00f3geno, obteniendo resultados de gran valor cient\u00edfico que contribuyen al conocimiento en esta \u00e1rea de investigaci\u00f3n.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 2. Imagen en proyecci\u00f3n 3D de: a)<\/strong> Co-URJC-3 y Ni-URJC-3; b)<\/strong> Co-URJC-4 y Ni-URJC-4; c)<\/strong> Co-URJC-5, Cu-URJC-6, Zn-URJC-7.<\/em><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

[1] U.S Energy Information Administration. International Energy Outlook 2019. Marzo 2020.<\/p>\n

[2] Lu, Y., Deng, Y., Lu, S., Liu, Y., Lang, J., Cao, X., & Gu, H. (2019). MOF-derived cobalt\u2013nickel phosphide nanoboxes as electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction. Nanoscale<\/em>, 11<\/em>(44), 21259-21265.<\/p>\n

[3] Huggins, R. A. (2010). Energy storage<\/em> (Vol. 406). New York: Springer.<\/p>\n

[4] Ahmed, A., Liu, Y., Purewal, J., Tran, L. D., Wong-Foy, A. G., Veenstra, M., … & Siegel, D. J. (2017). Balancing gravimetric and volumetric hydrogen density in MOFs. Energy & Environmental Science<\/em>, 10<\/em>(11), 2459-2471.<\/p>\n

[5] Koizumi, K., Nobusada, K., & Boero, M. (2019). Hydrogen storage mechanism and diffusion in metal\u2013organic frameworks. Physical Chemistry Chemical Physics<\/em>, 21<\/em>(15), 7756-7764.<\/p>\n

[6] Ren, J., Langmi, H. W., North, B. C., & Mathe, M. (2015). Review on processing of metal\u2013organic framework (MOF) materials towards system integration for hydrogen storage. International Journal of Energy Research<\/em>, 39<\/em>(5), 607-620.<\/p>\n

[7] U.S Energy Information Administration. International Energy Outlook 2020. Febrero 2021.<\/p>\n

[8] Ahmed, A., Seth, S., Purewal, J., Wong-Foy, A. G., Veenstra, M., Matzger, A. J., & Siegel, D. J. (2019). Exceptional hydrogen storage achieved by screening nearly half a million metal-organic frameworks. Nature communications<\/em>, 10<\/em>(1), 1-9.<\/p>\n

[9] Witman, M., Ling, S., Gladysiak, A., Stylianou, K. C., Smit, B., Slater, B., & Haranczyk, M. (2017). Rational design of a low-cost, high-performance metal\u2013organic framework for hydrogen storage and carbon capture. The Journal of Physical Chemistry C<\/em>, 121<\/em>(2), 1171-1181.<\/p>\n

[10] Thornton, A. W., Simon, C. M., Kim, J., Kwon, O., Deeg, K. S., Konstas, K., … & Smit, B. (2017). Materials genome in action: identifying the performance limits of physical hydrogen storage. Chemistry of Materials<\/em>, 29<\/em>(7), 2844-2854.<\/p>\n

[11] Go\u0301mez-Gualdro\u0301n, D. A., Wang, T. C., Garc\u00eda-Holley, P., Sawelewa, R. M., Argueta, E., Snurr, R. Q., … & Farha, O. K. (2017). Understanding volumetric and gravimetric hydrogen adsorption trade-off in metal\u2013organic frameworks. ACS applied materials & interfaces<\/em>, 9<\/em>(39), 33419-33428.<\/p>\n

[12] Col\u00f3n, Y. J., Go\u0301mez-Gualdro\u0301n, D. A., & Snurr, R. Q. (2017). Topologically guided, automated construction of metal\u2013organic frameworks and their evaluation for energy-related applications. Crystal Growth & Design<\/em>, 17<\/em>(11), 5801-5810.<\/p>\n

[13] Kondo, M., Yoshitomi, T., Matsuzaka, H., Kitagawa, S., & Seki, K. (1997). Three\u2010Dimensional Framework with Channeling Cavities for Small Molecules:{[M2<\/sub>(4,4\u2032\u2010bpy)3<\/sub>(NO3<\/sub>)4<\/sub>]\u00b7xH2<\/sub>O} n (M= Co, Ni, Zn). Angewandte Chemie International Edition in English<\/em>, 36<\/em>(16), 1725-1727.<\/p>\n

[14] Li, H., Eddaoudi, M., Groy, T. L., & Yaghi, O. M. (1998). Establishing microporosity in open metal\u2212 organic frameworks: gas sorption isotherms for Zn (BDC)(BDC= 1, 4-benzenedicarboxylate). Journal of the American Chemical Society<\/em>, 120<\/em>(33), 8571-8572.<\/p>\n

[15] Li, H., Eddaoudi, M., O’Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (1999). Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Nature<\/em>, 402<\/em>(6759), 276-279.<\/p>\n

[16] Rosi, N. L., Eckert, J., Eddaoudi, M., Vodak, D. T., Kim, J., O’Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (2003). Hydrogen storage in microporous metal-organic frameworks. Science<\/em>, \u00a0300<\/em>(5622), 1127-1129.<\/p>\n

[17] Murray, L. J., Dinc\u0103, M., & Long, J. R. (2009). Hydrogen storage in metal\u2013organic frameworks. Chemical Society Reviews<\/em>, 38<\/em>(5), 1294-1314.<\/p>\n

[18] Feng, D., Lei, T., Lukatskaya, M. R., Park, J., Huang, Z., Lee, M., … & Xiao, J. (2018). Robust and conductive two-dimensional metal\u2212 organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance. Nature Energy<\/em>, 3<\/em>(1), 30-36.<\/p>\n

[19] Xu, X., Liu, J., Liu, J., Ouyang, L., Hu, R., Wang, H., … & Zhu, M. (2018). A general metal\u2010organic framework (mof)\u2010derived selenidation strategy for in situ carbon\u2010encapsulated metal selenides as high\u2010rate anodes for na\u2010ion batteries. Advanced Functional Materials<\/em>, 28<\/em>(16), 1707573.<\/p>\n

[20] Wong-Foy, A. G., Matzger, A. J., & Yaghi, O. M. (2006). Exceptional H2<\/sub> saturation uptake in microporous metal\u2212 organic frameworks. Journal of the American Chemical Society<\/em>, 128<\/em>(11), 3494-3495.<\/p>\n

[21] Howarth, A. J., Peters, A. W., Vermeulen, N. A., Wang, T. C., Hupp, J. T., & Farha, O. K. (2017). Best practices for the synthesis, activation, and characterization of metal\u2013organic frameworks. Chemistry of Materials<\/em>, 29<\/em>(1), 26-39.<\/p>\n

[22] Yaghi, O. M., Li, G., & Li, H. (1995). Selective binding and removal of guests in a microporous metal\u2013organic framework. Nature<\/em>, 378<\/em>(6558), 703-706.<\/p>\n

[23] Montes-Andr\u00e9s, H., Leo, P., Orcajo, G., Rodr\u00edguez-Di\u00e9guez, A., Choquesillo-Lazarte, D., Martos, C., … & Calleja, G. (2019). Novel and Versatile Cobalt Azobenzene-Based Metal-Organic Framework as Hydrogen Adsorbent. ChemPhysChem<\/em>, 20<\/em>(10), 1334-1339.<\/p>\n

[24] Montes-Andre\u0301s, H., Leo, P., Mun\u0303oz, A., Rodr\u00edguez-Di\u00e9guez, A., Orcajo, G., Choquesillo-Lazarte, D., … & Calleja, G. (2020). Two Isostructural URJC-4 Materials: From Hydrogen Physisorption to Heterogeneous Reductive Amination through Hydrogen Molecule Activation at Low Pressure. Inorganic Chemistry<\/em>, 59<\/em>(21), 15733-15740.<\/p>\n

[25] Montes-Andre\u0301s, H., Leo, P., Orcajo, G., Rodri\u0301guez-Die\u0301guez, A., Choquesillo-Lazarte, D., Martos, C., … & Calleja, G. (2020). Synthesis, Structural Features, and Hydrogen Adsorption Properties of Three New Flexible Sulfur-Containing Metal\u2013Organic Frameworks. Crystal Growth & Design<\/em>, 20<\/em>(10), 6707-6714.<\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Elena Garc\u00eda, Investigadora del Grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM.<\/p>\n

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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