氢气和甲烷等能源气体对人们来说，是当下关键且环保的能源载体。然而如何良好地储存这类气体，是限制人们使用的重要瓶颈问题。
为了寻求一种较好的储存及运输氢气和甲烷的方法，全球的科学家们开展了大量的研究。而金属-有机框架化合物（Metal-organic frameworks，MOFs）是近 20 年来得到材料科学家们广泛关注的一种新型有机-无机杂化多孔材料。
就在近日，一项由西北大学（Northwestern University）领导的研究团队设计并合成了一种新型的金属-有机框架化合物（MOF），其具有超高的孔隙率和表面积，与传统吸附剂材料相比，它能以更安全的压力和更低廉的成本储存更多的氢气和甲烷。
“我们已经为下一代清洁能源汽车开发出了更好的氢气和甲烷气体储存方法。”该研究的负责人、西北大学化学系教授 Omar K. Farha 说，“我们利用化学原理设计了原子排列十分精确的多孔材料，从而实现了超高孔隙率。”
该研究结果发表在了 4 月 17 日出版的《科学》杂志上，Omar Farha 实验室的博士后陈志杰为论文的第一作者，以及另一名西北大学化学教授、2016 年诺贝尔化学奖得主之一 Sir Fraser Stoddart 的实验室博士后李鹏浩和科罗拉多矿业大学的 Ryther Anderson 同为论文的共同第一作者。此外，国家标准技术局等高校和机构的研究人员也参与其中。DeepTech 采访了 Omar Farha 与陈志杰。
图 | 该研究论文在《科学》杂志官网的截图（来源：Science）
为什么是氢气和甲烷？
如果说风电、光伏发电是新能源行业的主导力量，那么氢能就是能源领域的未来之星。不管你是否熟悉元素周期表，都应该知道氢位列第一，是目前人们已知的最小原子。但或许你并不清楚，氢还是宇宙中分布最广泛的物质，其构成了宇宙质量的 75%，属于二次能源。
除了核燃料之外，氢的燃烧热值是液化石油气的 2.5 倍，汽油的 3 倍，位列各种燃料之首。最为关键的是，氢的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。因此，氢一贯被认为是未来最理想的能源载体之一。
而甲烷在地球上则有着存储量大、来源广泛的优势，并且它具有相对较高的能量密度和清洁的燃烧产物。因此，被认为是目前车载能源上最有优势的替代能源。然而，二者在储存和运输上的困难阻碍了它们被广泛应用。
以机动车为例，氢动力和甲烷动力的汽车目前需要将其进行高压压缩才能正常行驶。而氢气罐的压力需要 700 bar 或 10,000 Psi，相当于汽车轮胎压力的 300 倍。并且，由于氢的密度很低，完成这种压力的成本很高：加之氢气高度易燃，在使用时也存在安全性隐患。
因此，开发新型的吸附剂材料能够在更低的压力下储存汽车上的氢和甲烷气体，这有助于科学家和工程师们实现“开发下一代清洁能源汽车”的目标。而为了达成该目标，车载燃料箱的尺寸和重量也都需要优化。在这项研究中，多孔材料平衡了氢气和甲烷的体积和重量，使研究人员离实现目标又近了一步。
Omar 实验室开发的 MOFs 的孔隙中可以储存大量的氢气和甲烷，并将它们以比当前燃料电池汽车所需的更低的压力，输送到汽车的发动机中。
“吸附剂材料是将液体或气体分子吸附在其表面的多孔固体。”Omar Farha 解释道，“我们设计的 MOF 结构，因为它特殊的纳米孔，一克重的样品（体积大概有 6 个糖豆大小）的表面积摊开能够覆盖 1.3 个足球场。”
（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 Tinker Toys（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 Ryther Anderson 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。
Sir Fraser Stoddart 的博士后李鹏浩负责有机配体的合成，值得一提的是 Sir Fraser Stoddart 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。
图 | 超高的孔隙率和表面积的有机-无机杂化多孔材料（来源：Timur Islamoglu & 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
图 | 左为陈志杰博士；右为李鹏浩博士（来源：本人）
陈志杰目前在西北大学 Omar Farha 的实验室中做化学系的博士后研究工作。他在 2008 年进入上海交通大学化学化工学院学习，2012 年本科毕业之后，前往沙特阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 攻读博士。2018 年取得博士学位后，一直在西北大学进行博士后研究至今。
他的研究方向主要是框架材料的可控制备及其功能化的织物负载复合材料的性能研究，并在超高比表面积多孔材料的合成及氢气甲烷储存的应用、空气中吸水、用于降解神经毒素的织物负载 MOFs/高分子复合材料，以及 MOFs 的缺陷和演化等领域取得了一些颇有影响的学术成果。
另一名第一作者，李鹏浩同样也是西北大学的博士后，跟随诺贝尔化学奖得主 Sir J. Fraser Stoddart 学习工作。他于 2007 年~2011 年间在南开大学化学系就读本科，随后在美国波士顿大学和俄勒冈大学分别获得了硕士与博士学位。
从 2017 年 8 月至今，他一直在西北大学从事博士后研究，主要研究课题是有机多孔材料的合成，以及拓扑研究及表征。
