许你最美的承诺:当材料邂逅清洁能源

材料牛注：当材料遇上清洁能源，独特拓扑结构的材料当即深深“吸引”了清洁能源气体分子，从而实现清洁能源的储存。你若不弃，我愿陪你到天涯海角，这是我给你最美的承诺。

来自内布拉斯加大学林肯分校（UNL）的化学家Jian Zhang教授及其研究团队成功合成了一种新材料并将其应用于能源领域，可有效减少温室气体的排放。

独树一帜的秘诀

该新材料属于材料界的新兴家族：金属有机骨架材料（MOFs）。它以碳原子为主要骨架，一些金属原子簇镶嵌其中。材料结构体现出的有序性及三维排列赋予了材料丰富的孔径分布及较大的表面积，MOFs有望实现氢气、甲烷和二氧化碳等气体的储存。

孔隙可进气，比表面积何为？

众所周知，氢气能量高但体积大，单位体积所具有的能量仅为汽油的三分之一，这就意味着在车辆行驶相同距离的情况下，一个氢罐的尺寸将是普通汽油罐的三倍左右，那么如何实现对该类气体的存储显得至关重要。

虽然通过高压泵可以解决这个问题，但却昂贵且麻烦。MOFs则提供了一个更好的解决途径：吸附。没错！就是将氢气或其他能源气体分子吸附在材料表面从而达到储存的目的！所以材料的比表面积越大，就能吸附越多的气体分子，气体储存能力越好。

UNL团队研发的材料中有一种以内布拉斯加州命名的多孔材料，NPF-200（Nebraska Porous Framework 200），号称比表面积在锆基MOF材料中排行第三。而且NPF-200孔隙的孔径小于2nm，这仅相当于手指甲在2秒内生长的长度，超小的孔径也可进一步提高材料的存储能力。

“如果孔隙较大，是对孔隙空间的浪费。我认为，拥有极小孔径是NPF-200潜在的优势之一。”化学助理教授Zhang如是说。

独特的拓扑结构

Zhang教授的研究团队还发现NPF-200呈现出MOF前所未有的拓扑结构，从本质上描述了材料组成单元的几何构型。

“拓扑结构是决定MOFs材料在气体吸附方面的稳定性和性能的重要因素，”Zhang教授解释道，“你可以想象两种不同的材料：虽然它们具有相同的比表面积，但是取决于拓扑结构的气体吸附行为可以是完全不同的。”
目前对于锆基MOF而言，发现新的拓扑结构已经不是很容易了，但在材料的应用上，拓扑结构却是一个基础且重要的影响因素。

锆基的意义何在？

就像大多数的新兴技术一样，MOFs同样面临诸多挑战，比如在稳定性方面，很多的MOFs材料对水非常敏感，如果湿度较高或长时间暴露在外，MOFs的性能就会大打折扣。“我认为这实际上是阻碍MOF材料发展的一个瓶颈。”Zhang教授说道。

与Cu等金属不同，锆原子有一个较大的正电荷，以便于能和MOF进行更加紧密的有机联结。因此，NPF-200对水以及酸碱性液体都有较好的抗性，稳定性也远远高于其他同类材料。

原文链接：New materials show promise for clean energy

本文由编辑部顾玥提供素材，应豆编译，李卓审核。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。