北科Cell Reports Physical Science：神通廣大的MOFs還有什么新應用？

文章簡介

隨著全球科技化進程的加劇，各個領域對于新材料的需求都展現出與日俱增的態勢。金屬有機框架（MOFs）是一類新穎的由有機配體和金屬離子或團簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內孔隙的有機-無機雜化材料，因其拓撲多樣性，功能可調性，多孔性及容易制備等特點備受研究者青睞。近年來，MOF材料在諸如吸附、分離、催化、環境、傳感、醫學等領域均展現出極大的應用潛力，特別是能源領域。MOFs材料在能源領域的應用還有很大的發展空間，比如近年來新興的MOFs在相變熱能存儲領域的新應用。

近日，北京科技大學王戈教授系統綜述了MOFs在相變熱能存儲領域的最新研究進展。概括了MOFs在相變熱能存儲領域的優勢和MOFs封裝相變材料的方法；系統總結和分析了三大類MOFs基相變材料（PCMs）在熱能存儲領域的應用進展，最后對其存在挑戰和發展前景進行了總結。文章以“Metal-Organic Framework-based Phase Change Materials for Thermal Energy Storage”為題發表于Cell出版社旗下新晉高水平期刊Cell Reports Physical Science。

圖1. 金屬有機框架基相變材料應用于相變熱能領域

核心內容

要點一：總結了MOFs基相變材料用于熱能存儲的優勢和封裝方法。

MOFs具有超高的比表面積和孔隙率，孔結構高度規整有序、孔結構（尺寸和表面官能團）具有優異的可調性。因此，MOFs在制備高性能復合相變材料方面更具發展潛力。考慮到純相變材料在固液相轉變時存在泄漏的缺點，目前的主要解決策略是兩步封裝法：首先通過溶劑熱法等策略合成MOFs，然后將熔融的PCMs液體通過毛細作用力和表面張力滲透到MOFs孔道中，最終獲得MOFs基相變復合材料。

圖2. 金屬有機框架應用于相變熱能存儲的優勢

要點二：總結了三大類MOFs基PCMs在熱能存儲領域的應用進展。

主要總結了原始MOFs基相變材料、MOFs復合物基相變材料、MOFs衍生碳基相變材料的最新研究進展，分析討論了三類材料在相變熱能存儲領域的優缺點，同時對MOFs孔結構與MOFs基相變材料熱性能之間的關聯性提出了建設性見解。

圖3. 金屬有機框架基相變材料的研究進展

圖4. 金屬有機框架基相變材料的蓄熱研究

圖5. 金屬有機框架基相變材料的傳熱研究

圖6. 金屬有機框架基相變材料的電熱轉換研究

圖7. 金屬有機框架基相變材料的光致發光研究

要點三：展望了MOFs基PCMs在熱能存儲中存在的挑戰及未來的研究方向。

• 孔結構的調控依舊是制約高性能MOFs基PCMs發展的一大挑戰。
• 盡管已有一些商業化MOFs，但是高成本依舊是MOFs基PCMs的一大劣勢
• 目前的研究主要集中在少數明星MOFs，更多種類的合適MOFs需要探索。
• 高通量和機器學習手段是未來篩選合適MOFs用于相變熱能存儲的首選手段。
• 先進的高性能-多功能MOFs基相變復合材料急需進一步探索。

文獻鏈接

Xiao Chen, Hongyi Gao, Zhaodi Tang, Ge Wang. Metal-Organic Framework-based Phase Change Materials for Thermal Energy Storage,?Cell Reports Physical Science, 2020, 1, 100218. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100218100218。

期刊簡介

經過40余年的發展，全球領先的學術出版機構Cell Press 細胞出版社旗下已擁有40多本期刊，學科覆蓋領域也逐漸從生命科學拓展到物質科學。作為Cell Press的第一本物質科學期刊，Chem?自2016年問世后，目前已發展成為化學領域具有很高知名度的旗艦期刊。其后，Cell Press 又相繼推出能源旗艦刊Joule和材料旗艦刊Matter。在此基礎上，Cell Press物質科學家族將再添新成員—Cell Reports Physical Science。Cell Reports Physical Science是一本高水平定位的開放獲取期刊，致力于報道化學、能源、材料和物理等整個物質科學領域的高質量研究成果。文章形式包括Report，Article和Review。不像Joule?和Chem，我們沒有更偏向收錄“能源領域的重大突破”或“化學界的熱點話題”這樣的文章，因此我們可能會考慮刊登一些在這些期刊中找不到位置的高質量內容。我們正在建立從Chem、Joule、Matter?到Cell Reports Physical Science，以及從Cell Reports Physical Science?到iScience?的高效清晰的稿件轉投路徑。詳情見主編訪談：https://mp.weixin.qq.com/s/pkseJw-QCCT39axokUQKuA。

本文由作者投稿。