今日Science最新儲氫和甲烷材料：在高孔隙率材料中平衡體積和重量吸收

木文韜 3年前 (2020-04-17) 4153瀏覽

【引言】

甲烷和氫氣都是汽油的替代品，有可能用作交通運輸業的燃料。甲烷被視為過渡性燃料，因為它的燃燒仍然會排放CO₂，但釋放的CO₂量少于汽油。相比之下，氫被設想為“未來的燃料”，因為氫燃料電池汽車是零排放汽車。但是，氫和甲烷動力車輛的運輸，存儲和操作目前需要高壓壓縮（即H₂為700 bar，CH₄為250 bar），這既昂貴又不安全。為了鼓勵在這一重要領域進行研究，美國能源部（DOE）建立了用于開發運輸領域替代燃料的機載存儲和運輸系統的指標。開發新型吸附劑材料是實現安全、經濟有效地儲存甲烷和氫氣目標的戰略之一。特別是高表面積的多孔材料，通常被認為具有2000 m²/g或更大的表面積，例如金屬有機骨架（MOF）、多孔碳、共價有機骨架和多孔有機聚合物已被廣泛研究作為車載清潔能源氣體存儲的候選吸附劑。這些吸附劑的性能可以使氣體負載在較低的極端負載壓力下為車輛提供動力，而目前甲烷和氫動力車輛的存儲系統需要這種壓力。在這些吸附劑中，由無機結點和有機連接物構成的MOFs，由于其可定制的孔隙化學、孔隙幾何形狀和合理設計的舒適性，以及清晰的結構-性質關系，已經成為氣體儲存的重要材料。此外，據報道，MOFs的表面積達到超高值。

【成果簡介】

今日，在美國西北大學Omar K. Farha教授團隊等人（通訊作者）帶領下，與美國科羅拉多礦業學院、豐田北美研究所、美國國立標準技術研究所、天津大學和澳大利亞新南威爾士大學合作，報告了基于模擬驅動的金屬三核團簇，即NU-1501-M（M = Al或Fe）的金屬有機框架（MOFs）的合成。與其他超孔MOFs相比，NU-1501-Al同時具有7310 m²?g^?1的高重量BET面積和2060 m²?cm^?3的BET容積，同時滿足四個BET一致性標準。該MOF的高孔隙率和表面積產生了出色的氫和甲烷重量和體積存儲性能：NU-1501-Al以0.66 gg^-1的吸收量超過了美國能源部的重量甲烷存儲目標（0.5 gg^-1）。在100 bar/270 K下[262 cm³（標準溫度和壓力，STP）cm^-3]和在270 K下5至100 bar的工作能力為0.60 gg^-1?[238 cm³（STP）cm^-3]；它也顯示出在溫度和壓力波動（77 K/100 bar→160 K/5 bar）的情況下，最佳的可輸送氫容量之一（14.0重量％，46.2gL^-1）。相關成果以題為“Balancing volumetric and gravimetric uptake in highly porous materials for clean energy”發表在了Science。