금속-유기 프레임워크에서 부피와 중량 수소 흡착 간의 트레이드오프 이해

금속-유기 프레임워크(MOFs)는 연료 전지 차량에서 수소의 흡착 기반 온보드 저장을 위한 유망한 다공성 결정성 물질입니다. 부피적 및 질량적 수소 용량은 합리적인 주행 거리를 위해 특정량의 수소를 저장하는 데 필요한 MOF로 채운 탱크의 크기와 무게를 결정하는 주요 요소입니다. 따라서 탱크가 너무 크거나 무겁지 않도록 최적화해야 합니다. MOF의 부피와 중량 수소 흡착 용량을 개별적으로 극대화하려는 목표가 서로 양립할 수 없기 때문에, 이들 특성 간의 최상의 절충안을 달성하기 위해 MOF의 부피 및 중량 적재 간의 트레이드오프를 깊이 이해해야 합니다. 여기에서는 고도로 안정한 지르코늄 MOF인 NU-1101, NU-1102 및 NU-1103을 사례 연구로 삼아, 부피 및 중량 한냉 흡착 수소 공급 가능 용량 간의 트레이드오프를 실험적 및 계산적으로 연구합니다. 이들 MOF는 최근 제안된 작동 조건인 77 K/100 bar → 160 K/5 bar에서 연구되었습니다. MOF 계열에서 측정된 최고 및 최저 공급 가능 용량의 차이는 중량적으로 약 40%였으며, 부피적으로는 약 10%에 불과했습니다. 분자 시뮬레이션 결과에 따르면, 수소의 "단일층" 흡착은 표면적에 비례하는 반면, 수소의 "기공 충전" 흡착은 기공 부피에 비례합니다. 따라서 NU-110x 계열에서 중량적 표면적과 기공 부피 간의 비례 관계로 인해 중량 공급 가능 용량의 변동성이 부피 용량에 비해 더 높다는 것을 발견했습니다. 또한 BET 면적보다 기하학적 표면적과의 상관관계가 더 우수함을 확인했습니다. NU-1101은 46.6 g/L (9.1 중량 %)으로 가장 높은 측정된 부피 성능을 보인 반면, NU-1103은 12.6 중량 % (43.2 g/L)로 가장 높은 중량 성능을 나타냅니다.