金属有机框架材料在的未来低碳经济中的潜在应用

金属有机框架材料(metal-organic framework,MOF)是由金属节点与有机链接单元通过配位作用连接而成的有机-无机杂化多孔晶体材料,具有高比表面积、高孔隙率以及孔道可调等特性,迄今也已经有50多年的发展历史。该综述首先讲述了MOF材料在二氧化碳捕获这一低碳技术中的潜在应用,总结和讨论了六种用于提高在低压下捕获二氧化碳能力的策略。其中氨基功能化是最为成功的策略之一,一个典型的例子就是在烟道气中具有超强的二氧化碳选择吸附能力的mmen-Mg2(dobpdc)和PEI-MIL-101。为了进一步提高MOF在低压下对二氧化碳的吸附能力,中科院宁波工业技术研究所陈亮团队建议同时结合以下的几个策略:(1) 引入具有碱性的氨基功能基团;(2)高密度开放金属位点;(3)具有对二氧化碳分子具有限域效应的孔径。但是同时也值得注意的是过强的吸附能会导致MOF再生困难,通常需要减压加热等高耗能条件,对于此,作者也讨论了最近报道的光以及磁响应的MOF材料,为克服高能耗再生的问题提供了新的途径。

Aenm-chenliang

其次,该综述讨论了MOF在另一种低碳技术-甲烷存储上的应用。目前文献报道中,最高的MOF工作容量1接近200 cm-3 cm-3, 例如HKUST-1 (190 cm-3 cm-3),UTSA-76 (197 cm-3 cm-3)和Co(bdp)(197 cm-3 cm-3),远远超过了其他多孔材料如活性炭和分子筛等的甲烷吸附量。其中HKUST-1已经被BASF应用于载货汽车上,并计划于2017年推广到市场中。然而,美国能源部最新制定的甲烷存储目标已经从 180 cm-3 cm-3上调为12.5 MJ L-1 或者9.2 MJ L-1,相当于350 cm-3 cm-3,这个设计目标是基于大约25%的装填损失。所以即使理论上没有装填损失,吸附材料的甲烷存储量需要达到263 cm-3 cm-3以上。显然,目前报道的所有MOF材料都无法达到该目标,相关研究任重道远。提高MOF甲烷工作容量的最有效途径是提高其在高压下的甲烷吸附量同时降低其在低压的甲烷吸附量,所以简单的功能化MOF材料的策略并不能显著提高甲烷的工作容量,因为低压下甲烷的吸附量也会上升。该综述作者展望制备具有柔性骨架的MOF材料或许是一种最为有效的策略。相关研究成果近期发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601296)上。

1注:工作容量的计算通常为65 bar下甲烷的吸附量减去5 bar下甲烷的吸附量,因为65 bar是两个增压泵的增压上限,而5 bar是保证甲烷从气缸到发动机的工作压力下限。

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