美國西北大學（Northwestern University）的一個研究小組已經(jīng)設(shè)計并合成了具有超高孔隙率和表面積的新材料，用于存儲燃料電池動力車輛常用的氫氣和甲烷氣體。
氫氣、甲烷這些氣體是替代二氧化碳的清潔能源替代品，此前為了尋找最優(yōu)化的存儲與運輸方法，科學家們已經(jīng)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(fā)揮的神奇之處，那么——得益于其納米級的孔隙，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(shù)研究所成員奧馬爾·法哈（Omar K. Farha）說：“我們已經(jīng)為下一代清潔能源汽車開發(fā)了一種更好的氫和甲烷氣體車載存儲方法?！薄盀榇?，我們使用化學原理設(shè)計了具有精確原子排列的多孔材料，從而實現(xiàn)了超高孔隙率?！?/p>
吸附劑是將液體或氣體分子結(jié)合到其表面的多孔固體。Farha還指出，這種新材料對于整個儲氣行業(yè)也可能是一個突破，因為許多行業(yè)和應(yīng)用都需要使用壓縮氣體，例如氧氣、氫氣、甲烷等。
這項研究結(jié)合了實驗和分子模擬，使用化學原理設(shè)計了具有精確原子排列的多孔材料，成果最終于4月17日發(fā)表在《科學》（Science）雜志上。
這種MOF超多孔材料展示了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(gòu)建而成，這些簇會自組裝形成多維、高度結(jié)晶的多孔框架——你可以把它設(shè)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(jié)點，而有機分子就像將節(jié)點連接在一起的桿。
研究人員們采用了6個有機連接體，與鐵、鋁、鉻或鈧的金屬三聚體一起構(gòu)建出NU-1500。其中，NU-1501-Al以0.66 gg-1的吸收量，一舉超過了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）。
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。由于氫氣的密度低，要達到該壓力付出的代價非常昂貴，而且由于氣體高度易燃，這樣的方案也不安全。
開發(fā)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，可以幫助科學家和工程師達到美國能源部的目標，即開發(fā)下一代清潔能源汽車。
為了實現(xiàn)這些目標，需要優(yōu)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了氫氣和甲烷的體積（尺寸）和重量（質(zhì)量）可傳遞容量，使研究人員更接近實現(xiàn)這些目標的一步。
“我們可以在MOF的孔中存儲大量的氫和甲烷，并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(fā)動機?！?/p>
西北大學的研究人員構(gòu)想了MOF的概念，并與科羅拉多礦業(yè)學院的計算建模人員合作，證實此類材料非常吸引人。然后，法哈（Farha）和他的團隊設(shè)計，合成和表征了材料。他們還與美國國家標準技術(shù)研究院（NIST）的科學家合作進行了高壓氣體吸附實驗。
這項研究得到了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）。
