诺奖得主领衔，储氢材料，最新Nature Chemistry！
米测MeLab
2024-09-10
研究背景
随着全球对清洁能源需求的增加，氢气因其零排放和高比能量密度被广泛认为是未来的理想燃料。然而，氢气的低体积密度使得当前的存储和运输需要高达700巴的压缩气瓶，这不仅成本高昂，还存在安全隐患。因此，开发高效的氢储存系统成为了研究热点。氢气储存的一个关键概念是储存材料的体积和质量容量。美国能源部（DOE）设定的目标是氢气储存材料的质量储存能力达到6.5 wt%和体积储存能力达到50 g l-1。然而，许多现有的吸附材料在实现高质量容量的同时，体积容量却未能满足这些目标。此外，体积容量对于工业应用尤为重要，因为汽车储存罐的体积有限，而氢储存系统的体积容量对燃料电池车辆的行驶范围有着更大的影响。因此，开发既能实现高体积容量又具备优异质量容量的氢吸附剂是亟待解决的问题。为了解决这一问题，2016年诺贝尔化学奖获得者J. Fraser Stoddart、香港大学讲座教授Chun Tang、西北大学Randall Q. Snurr教授等人在“Nature Chemistry”期刊上发表了题为“Balancing volumetric and gravimetric capacity for hydrogen in supramolecular crystals”的最新论文。研究者们提出了一种新的策略：利用氢键导向的链状结构设计超分子晶体。通过这种策略，可以在材料中实现高体积和质量表面积的平衡，同时增强结构稳定性和定制孔径。氢键导向的链状结构允许构造七重链状超结构，这种结构不仅具备了高体积表面积（1,855 m² cm⁻³）和大质量表面积（3,526 m² g⁻¹），还能够在实际操作条件下（77 K/100 bar → 160 K/5 bar）实现高的可交付体积容量（53.7 g l⁻¹）和质量容量（9.3 wt%）。
研究亮点
1. 实验首次引入了氢键导向的链状结构策略，成功构建了高度多孔的超分子晶体。这种策略利用氢键相关的点接触相互作用，形成了七重链状超结构，使得晶体具备了高体积和大质量表面积，同时增强了结构稳定性和定制孔径（约1.2–1.9 nm），为氢气储存提供了新方案。2. 实验通过这种氢键导向的链状结构策略，获得了RP-H101材料。该材料展示了高质量表面积（3,526 m² g⁻¹）和均衡的体积表面积（1,855 m² cm⁻³），并且在所有已报道的分子晶体中表现出最优的稳定性。RP-H101在实际操作条件下实现了高的体积容量（53.7 g l⁻¹）和质量容量（9.3 wt%），超越了DOE的系统级目标。这些结果表明，超分子晶体具有作为车载氢储存材料的潜力，并且定向链状结构策略能够有效设计出具有均衡高体积和质量表面积的坚固多孔材料。
图文解读
图1：RP-H100和RP-H101的链化分析和晶体超结构。 图2. RP-H100和RP-H101的互穿分析。 图4. RP-H100 和 RP-H101 的孔隙率表征和权衡特性。图5：RP-H100和RP-H101的高压氢气储存能力。
总结展望
本文的研究揭示了氢键导向的链状结构策略在构建高性能多孔超分子晶体中的潜力。通过这一策略，研究人员成功设计出一种七重链状超结构，使得氢键相互作用能够引导并定义多孔材料的结构，从而实现了高体积和高质量表面积的平衡。这种创新的方法不仅提高了晶体的体积表面积（1,855 m² cm⁻³）和质量表面积（3,526 m² g⁻¹），还使材料在氢储存条件下表现出优异的稳定性和高的储氢能力（53.7 g l⁻¹的体积容量和9.3 wt%的质量容量）。这种策略的应用展示了超分子晶体作为氢储存材料的巨大潜力，并强调了在设计坚固的多孔材料时，定向链状结构策略的重要性。未来，结合此类策略可以进一步推动氢储存技术的发展，提高其在车载储存系统中的实际应用性能，从而为氢燃料电池技术的普及和可持续发展做出重要贡献。 Zhang, R., Daglar, H., Tang, C. et al. Balancing volumetric and gravimetric capacity for hydrogen in supramolecular crystals. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01622-w
