創紀錄的儲氫量！孔隙結構優化的MOFs大展神通_風聞

研究者製得的高孔隙率MOFs具有良好的結構穩定性和水穩定性，在壓力位於100 bar~5 bar之間時，獲得了創紀錄的高體積儲存能力為37.2 g•L-1！這對於氫能源汽車是一個福音！

氫氣作為一種綠色清潔的能源，但由於存儲和製取等問題，一直限制其廣泛推廣使用。金屬有機骨架(MOFs)是一種很有前途的儲氫材料，因為它具有可調的孔隙、孔隙體積以及孔隙幾何形狀等特點。近日，美國伯克利勞倫斯國家實驗室、美國NIST中子研究中心以及美國德州大學聖安東尼奧分校等研究者，在考慮孔隙結構的基礎上，研究了孔隙體積與儲氫能力之間的關係，並建立了兩個經驗方程來預測不同孔隙幾何形狀的MOFs的儲氫能力。相關論文以題為“Optimization of the Pore Structures of MOFs for Record High Hydrogen Volumetric Working Capacity”於3月18日發表在Advanced Materials上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.201907995

化石燃料燃燒產生的二氧化碳排放已經造成了嚴重的環境問題，如全球變暖。氫，因其高能量密度(33.3 kWh kg-1)而被認為是一種很有前途的替代化石燃料的候選能源。由於氫的密度低，儲存氫的難度很大，需要在700bar的高壓下壓縮氫。目前研究了諸多材料在低壓下的儲氫能力，如金屬有機骨架(MOFs)、共價有機骨架(COFs)以及微孔聚合物等新興多孔材料。而通過將金屬離子或團簇與有機連接劑連接而成的MOFs，在表面積、孔隙大小、孔隙幾何形狀和功能位點等方面都是高度可調的材料，具有很大的儲氣和分離潛力。良好清晰的結構允許晶體學和計算研究的主-客相互作用，為合理的材料設計獲得基本的理解。

對於氫燃料電池汽車的攜載儲氫，最小可用氣體壓力為5bar，只有在100 ~ 5bar之間的吸附能力才是可用的工作能力範圍。因此，理想的H2儲存材料應該在100bar時表現出高容量，在5bar時表現出低容量。當前基於MOFs的儲氫材料，高容量的工作能力仍然極具挑戰性，目前最好的記錄是材料NU-100(NU：西北大學(美國))，在温度77K、壓力介於100 bar~5 bar之間時，該材料只有35.5 g•L-1。

研究者在考慮孔隙結構的基礎上，研究了孔隙體積與儲氫能力之間的關係，可用如下兩個公式表示：對於籠式MOFs：ntot=0.085×Vp-0.013×Vp2;對於槽式MOFs：ntot=0.076×Vp-0.011×Vp2;其中，以上的經驗公式都建立在温度=77K、壓力=100bar之上的，Vp相對應的MOFs的孔隙體積。這兩個經驗方程的預測能力，在幾個MOFs材料中得到了的驗證，平均偏差為5.4%。與以往的活性炭材料的經驗方程相比，以上的經驗方程具有更高的精度，特別是對於高表面積的MOFs(如：SBET超過3000 m2•g-1)。在這些經驗方程的指導下，研究者製得的高孔隙率的Zr-MOF NPF-200(NPF：內布拉斯加多孔框架)，具有良好的結構穩定性和水穩定性，研究表明：NPF-200在77k時，其氫總吸附量為65.7mmol•g-1，在壓力位於100 bar~5 bar之間時，獲得了創紀錄的高體積儲存能力為37.2 g•L-1。

圖 1 所研究的MOFs結構中主要的通道或籠架

圖 2 相關儲氫材料的特性比較

圖3 NPF-200結構、NPF-200的氫吸附量以及不同儲氫材料的體積儲氫量的比較

基於經驗方程的預測可以為MOFs評價提供快速有效的指導，可加速高壓H2存儲MOFs的發現。它也可能為利用其他類型的多孔材料如共價有機骨架(COFs)和氫鍵有機骨架(HOFs)儲存H2提供有價值的指導。（文：水生）

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