如果说风电、光伏发电是新能源行业的主导力量，那么氢能就是未来最理想的能源载体之一。氢的燃烧热值是液化石油气的2.5倍，汽油的3倍，且燃烧不会产生二氧化碳，其燃烧生成水，而水电解又可以生成氢，是一种可循环使用的清洁能源；甲烷，因具有相对较高的能量密度和清洁的燃烧产物，被认为是目前车载能源上最有优势的替代能源。 然而，氢与甲烷在储存和运输上的困难重重，阻碍了它们的广泛应用。以机动车为例，氢动力和甲烷动力的汽车目前需要将气体进行高压压缩才能正常行驶，氢气罐的压力需要700 bar或10000 Psi，相当于汽车轮胎压力的300倍；由于氢的密度很低，完成这种压力的成本很高；氢气高度易燃，在使用时也存在安全隐患。 为了寻找最优化的存储与运输方法，科学家们已经开展过大量研究与尝试。近日，美国西北大学的一个研究小组设计并合成了一种新材料——金属-有机框架材料（Metal-organic frameworks，MOF）。此种材料孔隙率超高，表面积也超大。与传统的吸附式材料相比，新材料能够在更安全的压力和更低成本的情况下存储更多的氢和甲烷。
吸附剂是一种可以将液体或气体分子吸附在其表面的多孔固体，由于具备纳米级大小的孔隙，新材料只需1克，其表面积就可达到1.3个足球场大。同时，经过实验和分子模拟，新型多孔材料可以平衡氢气和甲烷的体积（尺寸）与重量（质量）。
研究人员表示，新材料对于整个气体存储行业而言是一个重要突破，因为很多行业和应用都需要使用到压缩气体，如氧气、氢气、甲烷和其他气体。例如，可以在MOF的孔隙中存储大量的氢和甲烷，并以比当前燃料电池汽车所需低得多的压力，将其输送至汽车的发动机，这将极大地促进下一代清洁能源汽车目标的早日实现。
该款超级多孔的MOF材料名为NU-1501，由有机分子与金属离子或团簇经过自组装，形成的多维、高度结晶的多孔框架结构。为了描绘MOF的结构，研究人员认为可以将其想象为拼插积木玩具，其中的金属离子或团簇是圆形或方形的节点，而有机分子是将节点连接在一起的圆棒。
研究人员使用溶剂热合成法制备了这种MOF材料，即将金属盐和有机连接剂放入密封的容器中，在预热的加热炉中烘烤。其中，材料经过超临界二氧化碳活化，是开发用于超高孔隙率和表面积MOF材料活化的常用方法。
据悉，目前研究重点更侧重于从学术方面增加人们对这类材料的基本理解，并发展其独特的结构与性质关系的知识库。研究人员认为，从商业角度来看，将这种特殊的MOF扩大化的最大材料成本来自于有机配体的合成。因为，金属三聚体是基于廉价、并且含量丰富的如铝、铁等金属。若引入溶剂的回收系统，还可以大大减少合成过程中有机溶剂的成本。
该研究团队认为，这些材料在未来很有可能被大规模地商业化合成，并希望这项研究能在未来几年内投入应用，而其首先进入的领域或将是天然气储存行业。事实上，已有相关技术将一些带有ION-X圆柱体的MOFs，用于存储压缩压力相对较低的有毒气体上。
联系客服
