今日Science最新储氢和甲烷材料：在高孔隙率材料中平衡体积和重量吸收

木文韬 5年前 (2020-04-17) 4795浏览

【引言】

甲烷和氢气都是汽油的替代品，有可能用作交通运输业的燃料。甲烷被视为过渡性燃料，因为它的燃烧仍然会排放CO₂，但释放的CO₂量少于汽油。相比之下，氢被设想为“未来的燃料”，因为氢燃料电池汽车是零排放汽车。但是，氢和甲烷动力车辆的运输，存储和操作目前需要高压压缩（即H₂为700 bar，CH₄为250 bar），这既昂贵又不安全。为了鼓励在这一重要领域进行研究，美国能源部（DOE）建立了用于开发运输领域替代燃料的机载存储和运输系统的指标。开发新型吸附剂材料是实现安全、经济有效地储存甲烷和氢气目标的战略之一。特别是高表面积的多孔材料，通常被认为具有2000 m²/g或更大的表面积，例如金属有机骨架（MOF）、多孔碳、共价有机骨架和多孔有机聚合物已被广泛研究作为车载清洁能源气体存储的候选吸附剂。这些吸附剂的性能可以使气体负载在较低的极端负载压力下为车辆提供动力，而目前甲烷和氢动力车辆的存储系统需要这种压力。在这些吸附剂中，由无机结点和有机连接物构成的MOFs，由于其可定制的孔隙化学、孔隙几何形状和合理设计的舒适性，以及清晰的结构-性质关系，已经成为气体储存的重要材料。此外，据报道，MOFs的表面积达到超高值。

【成果简介】

今日，在美国西北大学Omar K. Farha教授团队等人（通讯作者）带领下，与美国科罗拉多矿业学院、丰田北美研究所、美国国立标准技术研究所、天津大学和澳大利亚新南威尔士大学合作，报告了基于模拟驱动的金属三核团簇，即NU-1501-M（M = Al或Fe）的金属有机框架（MOFs）的合成。与其他超孔MOFs相比，NU-1501-Al同时具有7310 m² g⁻¹的高重量BET面积和2060 m² cm⁻³的BET容积，同时满足四个BET一致性标准。该MOF的高孔隙率和表面积产生了出色的氢和甲烷重量和体积存储性能：NU-1501-Al以0.66 gg^-1的吸收量超过了美国能源部的重量甲烷存储目标（0.5 gg^-1）。在100 bar/270 K下[262 cm³（标准温度和压力，STP）cm^-3]和在270 K下5至100 bar的工作能力为0.60 gg^-1 [238 cm³（STP）cm^-3]；它也显示出在温度和压力波动（77 K/100 bar→160 K/5 bar）的情况下，最佳的可输送氢容量之一（14.0重量％，46.2gL^-1）。相关成果以题为“Balancing volumetric and gravimetric uptake in highly porous materials for clean energy”发表在了Science。