Comprendre le compromis entre adsorption hydrogène volumétrique et gravimétrique dans les cadres organiques métalliques

Les cadres organiques métalliques (MOFs) sont des matériaux cristallins poreux prometteurs pour le stockage d'hydrogène à base d'adsorption dans les véhicules à hydrogène à pile à combustible. Les capacités hydrogène volumétriques et gravimétriques sont des facteurs clés qui déterminent la taille et le poids du réservoir rempli de MOF nécessaire pour stocker une certaine quantité d'hydrogène pour une autonomie de conduite raisonnable. Par conséquent, ils doivent être optimisés afin que le réservoir ne soit ni trop grand ni trop lourd. Étant donné que les objectifs de maximisation individuellement des charges d'adsorption d'hydrogène volumétriques et gravimétriques dans les MOFs sont incompatibles, une compréhension approfondie du compromis entre les charges volumétriques et gravimétriques des MOFs est nécessaire pour atteindre le meilleur compromis entre ces propriétés. Ici, nous étudions, à la fois expérimentalement et par simulation, le compromis entre la capacité délivrable d'hydrogène cryo-adsorbé volumétrique et gravimétrique en prenant une série isoréticulaire de MOFs en zirconium hautement stables, NU-1101, NU-1102 et NU-1103 comme étude de cas. Ces MOFs ont été étudiés dans des conditions de fonctionnement récemment proposées : 77 K/100 bar → 160 K/5 bar. Nous avons trouvé que la différence entre la capacité délivrable la plus élevée et la plus basse mesurée dans la série de MOFs était d'environ 40 % gravimétriquement, mais seulement environ 10 % volumétriquement. D'après nos résultats de simulation moléculaire, nous avons trouvé que l'adsorption d'hydrogène "monocouche" est proportionnelle à la surface, tandis que l'adsorption d'hydrogène "remplissage de pores" est proportionnelle au volume des pores. Ainsi, nous avons constaté que la plus grande variabilité de la capacité délivrable gravimétrique par rapport à la capacité volumétrique se produit en raison de la relation proportionnelle entre la surface gravimétrique et le volume des pores dans la série NU-110x par rapport à la relation inverse entre la surface volumétrique et la fraction de vide. De plus, nous trouvons de meilleures corrélations avec les surfaces géométriques qu'avec les surfaces BET. NU-1101 présente la meilleure performance volumétrique mesurée avec 46,6 g/L (9,1 % en poids), tandis que NU-1103 présente la meilleure performance gravimétrique avec 12,6 % en poids (43,2 g/L).