具有优异吸附热转换性能的介孔MOF

能源是经济发展和社会进步的重要基础,在能源消耗不断攀升从而给环境与社会带来诸多问题的背景下,节能减排已经成为当今人类的共识。基于多孔材料和易液化吸附质的吸附热转换过程(例如吸附制冷和吸附热泵)可用于有效利用低品质热源和废热。一方面,常用的多孔材料活性炭和硅胶存在孔径不均、工作量低等缺点。另一方面,与气体吸附储存在单一的等温或者等压条件下工作不同,吸附热转换在低温低压吸附和高温高压脱附之间进行,其循环工作量对吸附等温线的形状更敏感。相比于常见的Langmuir型或I型吸附等温线来说,介孔材料的特征IV型或V型等温线能够在相同的温度压力区间内更大的工作容量。

多孔配位聚合物(Porous Coordination Polymer, PCP),也称金属有机框架(Metal-organic Framework, MOF)具有丰富多样而且可设计剪裁的框架和孔结构。例如,一些由三重对称无机链和直线型有机桥联配体构成的三维框架具有防止网络穿插的结构特征,其蜂窝状一维孔道可以按需扩张。另一种构筑具有蜂窝状一维孔道的三维框架的方式是使用三重对称无机链和三重对称有机桥联配体。根据几何原理,这两种构筑方式所得的一维孔道直径大约是配体桥联长度的两倍。

近期,中山大学张杰鹏研究团队设计了一类具有蜂窝状一维孔道的新型三维框架。由于使用了二次对称的金属草酸根链和三次对称的有机桥联配体,其孔道直径大约是配体桥联长度的四倍。因此,使用三种普通的三角形有机配体,就合成了孔径约为2-4 nm的三例新型介孔框架MCF-61、MCF-62和MCF-63,其孔容为1.19-2.36 cm3 g-1,BET表面积为2096-2749 m2 g-1。以温室效应可忽略的R-134a(1,1,1,2-Tetrafluoroethane)作为吸附质时,这些材料体现出介孔材料的IV型吸附等温线,而且吸附量突跃的压力随孔径增大而增大。在日常所需的吸附制冷或热泵以及常见的低温热源温度下,MCF-63可实现高达1.19 g g-1或0.38 g cm-3的循环工作量,远高于具有相似孔容和表面积,但孔径分布不均且具有I型吸附等温线的多孔碳材料。上述结果不但为PCP/MOF提供了一种新的框架模型,还展示了介孔材料在吸附热转换应用的潜力。

相关工作发表Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201704350)上,第一作者为中山大学大学化学学院学生莫宗文。

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