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
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-organicframeworks ， 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（NorthwesternUniversity）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OmarK.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 ， OmarFarha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SirFraserStoddart的实验室博士后李鹏浩和科罗拉多矿业大学的RytherAnderson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OmarFarha与陈志杰 。
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图|该研究论文在《科学》杂志官网的截图（来源：Science）
【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】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700bar或10,000Psi ， 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 。 ”OmarFarha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 。 ”
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