這種MOF新材料,1克可以鋪滿1.3個足球場

美國西北大學(Northwestern University)的一個研究小組已經設計並合成瞭具有超高孔隙率和表面積的新材料,用於存儲燃料電池動力車輛常用的氫氣和甲烷氣體。

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氫氣、甲烷這些氣體是替代二氧化碳的清潔能源替代品,此前為瞭尋找最優化的存儲與運輸方法,科學傢們已經開展過大量研究。

而如果要更生動形象地描述一下這種MOF材料在其中發揮的神奇之處,那麼——得益於其納米級的孔隙一克這種材料的樣本(體積約為6顆M&M巧克力豆),其表面積攤開可以足足覆蓋1.3個足球場

這項研究的負責人、西北大學國際納米技術研究所成員奧馬爾·法哈(Omar K. Farha)說:“我們已經為下一代清潔能源汽車開發瞭一種更好的氫和甲烷氣體車載存儲方法。”“為此,我們使用化學原理設計瞭具有精確原子排列的多孔材料,從而實現瞭超高孔隙率。”

吸附劑是將液體或氣體分子結合到其表面的多孔固體。Farha還指出,這種新材料對於整個儲氣行業也可能是一個突破,因為許多行業和應用都需要使用壓縮氣體,例如氧氣、氫氣、甲烷等。

這項研究結合瞭實驗和分子模擬,使用化學原理設計瞭具有精確原子排列的多孔材料,成果最終於4月17日發表在《科學》(Science)雜志上。

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圖 | 該研究論文在《科學》雜志官網的截圖(來源:Science)

這種MOF超多孔材料展示瞭驚人的氣體存儲性能。它名為“NU-1501”,由有機分子和金屬離子或簇構建而成,這些簇會自組裝形成多維、高度結晶的多孔框架——你可以把它設想為一組Tinkertoy(和樂高一樣的電路積木),其中金屬離子或簇可以想象成圓形或方形的節點,而有機分子就像將節點連接在一起的桿。

研究人員們采用瞭6個有機連接體,與鐵、鋁、鉻或鈧的金屬三聚體一起構建出NU-1500。其中,NU-1501-Al以0.66 gg-1的吸收量,一舉超過瞭美國能源部的重量甲烷存儲目標(0.5 gg-1)。在100 bar / 270 K下為[262 cm3(標準溫度和壓力,STP)cm-3],在270 K下為0.60 gg-1 [238 cm3(STP)cm-3]的5-100 bar的工作能力;它也顯示出在溫度和壓力擺幅(77 K/100 bar→160 K/5 bar)組合下,幾乎達到最佳的可輸送氫容量(14.0重量%,46.2克升-1)。

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目前,以氫氣和甲烷為動力的車輛需要高壓壓縮才能運行。氫氣罐的壓力是汽車輪胎中壓力的300倍。由於氫氣的密度低,要達到該壓力付出的代價非常昂貴,而且由於氣體高度易燃,這樣的方案也不安全。

開發可以在較低壓力下將氫氣和甲烷氣體存儲在車上的新型吸附劑材料,可以幫助科學傢和工程師達到美國能源部的目標,即開發下一代清潔能源汽車。

為瞭實現這些目標,需要優化車載燃油箱的尺寸和重量。這項研究中的高孔隙率材料平衡瞭氫氣和甲烷的體積(尺寸)和重量(質量)可傳遞容量,使研究人員更接近實現這些目標的一步。

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“我們可以在MOF的孔中存儲大量的氫和甲烷,並以比當前燃料電池汽車所需低得多的壓力,將其輸送至汽車的發動機。”

西北大學的研究人員構想瞭MOF的概念,並與科羅拉多礦業學院的計算建模人員合作,證實此類材料非常吸引人。然後,法哈(Farha)和他的團隊設計,合成和表征瞭材料。他們還與美國國傢標準技術研究院(NIST)的科學傢合作進行瞭高壓氣體吸附實驗。

這項研究得到瞭美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的支持(授予編號DE-EE0008816)。

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