許你最美的承諾:當材料邂逅清潔能源

材料牛注：當材料遇上清潔能源，獨特拓撲結構的材料當即深深“吸引”了清潔能源氣體分子，從而實現清潔能源的儲存。你若不棄，我愿陪你到天涯海角，這是我給你最美的承諾。

來自內布拉斯加大學林肯分校（UNL）的化學家Jian Zhang教授及其研究團隊成功合成了一種新材料并將其應用于能源領域，可有效減少溫室氣體的排放。

獨樹一幟的秘訣

該新材料屬于材料界的新興家族：金屬有機骨架材料（MOFs）。它以碳原子為主要骨架，一些金屬原子簇鑲嵌其中。材料結構體現出的有序性及三維排列賦予了材料豐富的孔徑分布及較大的表面積，MOFs有望實現氫氣、甲烷和二氧化碳等氣體的儲存。

孔隙可進氣，比表面積何為？

眾所周知，氫氣能量高但體積大，單位體積所具有的能量僅為汽油的三分之一，這就意味著在車輛行駛相同距離的情況下，一個氫罐的尺寸將是普通汽油罐的三倍左右，那么如何實現對該類氣體的存儲顯得至關重要。

雖然通過高壓泵可以解決這個問題，但卻昂貴且麻煩。MOFs則提供了一個更好的解決途徑：吸附。沒錯！就是將氫氣或其他能源氣體分子吸附在材料表面從而達到儲存的目的！所以材料的比表面積越大，就能吸附越多的氣體分子，氣體儲存能力越好。

UNL團隊研發的材料中有一種以內布拉斯加州命名的多孔材料，NPF-200（Nebraska Porous Framework 200），號稱比表面積在鋯基MOF材料中排行第三。而且NPF-200孔隙的孔徑小于2nm，這僅相當于手指甲在2秒內生長的長度，超小的孔徑也可進一步提高材料的存儲能力。

“如果孔隙較大，是對孔隙空間的浪費。我認為，擁有極小孔徑是NPF-200潛在的優勢之一。”化學助理教授Zhang如是說。

獨特的拓撲結構

Zhang教授的研究團隊還發現NPF-200呈現出MOF前所未有的拓撲結構，從本質上描述了材料組成單元的幾何構型。

“拓撲結構是決定MOFs材料在氣體吸附方面的穩定性和性能的重要因素，”Zhang教授解釋道，“你可以想象兩種不同的材料：雖然它們具有相同的比表面積，但是取決于拓撲結構的氣體吸附行為可以是完全不同的。”
目前對于鋯基MOF而言，發現新的拓撲結構已經不是很容易了，但在材料的應用上，拓撲結構卻是一個基礎且重要的影響因素。

鋯基的意義何在？

就像大多數的新興技術一樣，MOFs同樣面臨諸多挑戰，比如在穩定性方面，很多的MOFs材料對水非常敏感，如果濕度較高或長時間暴露在外，MOFs的性能就會大打折扣。“我認為這實際上是阻礙MOF材料發展的一個瓶頸。”Zhang教授說道。

與Cu等金屬不同，鋯原子有一個較大的正電荷，以便于能和MOF進行更加緊密的有機聯結。因此，NPF-200對水以及酸堿性液體都有較好的抗性，穩定性也遠遠高于其他同類材料。

原文鏈接：New materials show promise for clean energy

本文由編輯部顧玥提供素材，應豆編譯，李卓審核。

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