Nature Materials：塊體MOFs促進甲烷吸收

【引言】

天然氣主要由甲烷組成，因其高的氫/碳比和低的碳排放被認為是傳統化石燃料的良好替代品，然而相對于化石燃料，甲烷氣體的能量密度較低，因此，設計能夠在合理壓力和溫度條件下高效安全的存儲甲烷氣體的系統是解決這個問題的關鍵。2012年，美國能源部(DOE)設定了室溫、65 bar大氣壓（1bar=0.1MPa）下天然氣的存儲目標為263cm³/cm³,相當于250bar的空罐中儲存的容量。目前，還沒有任何形式的材料封裝后能滿足這一要求，之前報道的最高值為180 cm³/cm³，而實現DOE的這一目標對于進一步的車輛/運輸等行業的應用具有重要意義。

【成果簡介】

近日，劍橋大學David Fairen-Jimenez團隊在Nature Material上發表了一篇題為“A sol–gel monolithic metal–organic framework with enhanced methane uptake”的文章。在該文章中研究人員報道了一種金屬多孔MOF的合成,經過封裝和致密化處理之后甲烷存儲容量可以達到259 cm³/cm³，這是迄今為止所報告的最高值，比之前報道的任何一種材料都有超過50%的提高。整塊MOF上的納米壓痕試驗顯示了強大的機械性能，硬度比傳統的MOFs對應的硬度大了至少130%，這項研究結果為高容積致密MOFs在儲能及其他工業方面的應用邁出了重要一步。

【圖文解讀】

圖一 塊體和粉末MOFs的合成示意圖。

(a) 合成采用溶膠-凝膠法，濕凝膠在溫和干燥條件下得到致密的塊體，而在高溫或真空下干燥時得到粉末；

(b) 整塊MOFs (monoHKUST-1)的光學照片，表明保持了模具的形狀；

(c) monoHKUST-1的粉末XRD。

圖二 單塊和粉末MOFs樣品的TEM圖像。

(a) powdHKUST-1 的TEM圖像；

(b) monoHKUST-1的TEM圖像；

(c) a和b對應區域的EDX圖像。

圖三 HKUST-1氣體吸附性能

(a) 在298K下絕對體積甲烷吸附等溫線對比：monoHKUST-1（紅線實心圓）， monoHKUST-1通入過量體積甲烷（紅線空心圓）， HKUST-1（藍），HKUST-1在27.6 MPa下封裝（黑），HKUST-1在68.9 MPa下封裝（黑），虛線為DOE目標 ；

(b) 甲烷在298 K時的平衡時間與平衡壓力函數；

(c) 40bar時壓力隨時間的變化曲線monoHKUST-1 (藍) and powdHKUST-1 (紅)。

圖四 monoHKUST-1 的機械性能研究

(a，b) 楊氏模量和硬度 ；

(c) 光學顯微鏡顯示殘余凹痕陣列，無徑向開裂的證據；

(d) AFM剖面描繪了一個典型縮進的三維圖像，顯示沒有表面開裂的跡象，表明了良好的整體機械彈性。

【小結】

這項工作采用溶膠-凝膠法成功的合成了塊體MOFs，不需要粘結劑和高壓。該材料在65bar壓力下顯示出優良的的甲烷存儲容量259cm³/cm³,成功致密化并成型后，成為第一個符合標準的甲烷吸附劑，達到美國能源部目標，考慮到早期關于甲烷儲存準確的計算模型，研究人員推斷，這種多孔材料已經達到環境溫度下甲烷貯存能力的物理極限。從機械性能的角度來看，塊體MOFs的硬度是任何傳統的材料的硬度的兩倍。雖然需要對整體材料進行進一步的加工，以有效地封裝并熱處理，這項工作在MOFs的形貌化和致密化方面是一個重要的進步。塊體MOFs具有的高體積甲烷吸附容量和彈性的機械性能對于天然氣的存儲及其他工業化應用打開了一扇大門。

文獻鏈接：A sol–gel monolithic metal–organic framework with enhanced methane uptake（Nature?Materials, 2017, ?DOI: 10.1038/NMAT5050）

本文由材料人納米學術組chenyuan供稿，材料牛整理編輯。

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