DeepTech深科技■| 专访，1克材料铺满1.3个足球场！超高孔隙率的神奇材料问世( 二 ) 氢气和甲烷等能源气体对人们来说

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（来源：DeepTech）
一项可能改变储气行业的研究
MOFs材料由有机分子与金属离子或金属簇构成的，有机分子通常包含碳、氧、氮、磷等元素，大多数是芳香羧酸；它们通过自组装形成多维、高度结晶、多孔的框架。其最早的原型或可追溯到普鲁士蓝等材料。
“如果要想象什么是MOF ，你可以把它当做一组TinkerToys（和乐高一样的电路积木）。 ”Omar对DeepTech介绍道， “其中，金属簇或离子可以看做是积木的圆形或方形的节点，而有机分子则是连接的横杆。 ”
Omar的课题组一直在研究通过使用“原子精确定位”的功能材料来解决化学和材料科学中令人兴奋的问题，应用领域覆盖能源与环境等相关领域。他们致力于从根本上理解三维结构在改变材料功能方面的作用，并将其应用于气体储存与分离、催化、水污染处理等方向。
“这项最新的研究，我们在过往基础上合成了一种被叫做NU-1500的MOF 。我们采用了6个有机连接体，与铁、铝、铬或钪的金属三聚体一起构建出NU-1500 。 ”Omar介绍说，这些初始材料均表现出良好的气体吸附特性。然而，它们的孔隙大小和体积相对较小，这限制了它们的重量性能。
“正是此前研究的这些材料对气体的体积吸收与重量吸收之间的关系，激发了我们与合作者的接触。他们可以计算出类似MOF的结构与性质之间的关系。 ”Omar说道。
科罗拉多矿业大学的RytherAnderson模拟了许多具有相似拓扑结构、孔隙大小和有机连接物的MOF的气体吸附行为。从他们的工作中， Omar的团队发现了一种以前从未合成过的新型MOF ，预计其会对甲烷和氢气有着理想的平衡了重量和体积的气体储存性能。然后他们便在实验室合成了这个MOF ，并测量其在不同条件下对甲烷和氢气的储存能力。
SirFraserStoddart的博士后李鹏浩负责有机配体的合成，值得一提的是SirFraserStoddart与另外两名科学家开发出了分子机器，并因此获得诺贝尔化学奖，他为化学的发展开启了一个新世界。而分子机器现已被用于新材料、新型传感器和能量存储系统的研发之中。

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图|超高的孔隙率和表面积的有机-无机杂化多孔材料（来源：TimurIslamoglu&陈志杰）
对于合成方法，陈志杰表示，他们使用了溶剂热合成法制备这种MOF——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。 “材料经过超临界二氧化碳活化，这是我们开发的用于超高孔隙率和表面积MOF材料活化的常用方法。 ”他说道。
那么，这种堪称神奇的材料，其是否具有短期内规模化生产的可能？对此， Omar表示，目前实验室的研究重点更侧重于学术上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。 “然而，从商业角度来看，我们认为将这种特殊的MOF扩大化的最大材料成本来自于有机配体的合成。 ”他说， “因为金属三聚体是基于廉价、并且含量丰富的如铝、铁等金属的。当然，若引入溶剂的回收系统，则可以大大减少合成过程中有机溶剂的成本。 ”
Omar认为这些材料在未来很有可能被大规模地商业化合成。 “我希望这项研究能在未来几年内投入应用。 ”他说， “我认为，其首先进入的领域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的商业化应用上。 ”
在他看来，依靠MOF材料带来的安全性优化，将改变气体的储存、运输和输送方式。 “这是一项可能会改变整个储气行业的研究。 ”Omar说道。
主要研究人员、论文第一作者介绍