Nature Materials：块体MOFs促进甲烷吸收

【引言】

天然气主要由甲烷组成，因其高的氢/碳比和低的碳排放被认为是传统化石燃料的良好替代品，然而相对于化石燃料，甲烷气体的能量密度较低，因此，设计能够在合理压力和温度条件下高效安全的存储甲烷气体的系统是解决这个问题的关键。2012年，美国能源部(DOE)设定了室温、65 bar大气压（1bar=0.1MPa）下天然气的存储目标为263cm³/cm³,相当于250bar的空罐中储存的容量。目前，还没有任何形式的材料封装后能满足这一要求，之前报道的最高值为180 cm³/cm³，而实现DOE的这一目标对于进一步的车辆/运输等行业的应用具有重要意义。

【成果简介】

近日，剑桥大学David Fairen-Jimenez团队在Nature Material上发表了一篇题为“A sol–gel monolithic metal–organic framework with enhanced methane uptake”的文章。在该文章中研究人员报道了一种金属多孔MOF的合成,经过封装和致密化处理之后甲烷存储容量可以达到259 cm³/cm³，这是迄今为止所报告的最高值，比之前报道的任何一种材料都有超过50%的提高。整块MOF上的纳米压痕试验显示了强大的机械性能，硬度比传统的MOFs对应的硬度大了至少130%，这项研究结果为高容积致密MOFs在储能及其他工业方面的应用迈出了重要一步。

【图文解读】

图一 块体和粉末MOFs的合成示意图。

(a) 合成采用溶胶-凝胶法，湿凝胶在温和干燥条件下得到致密的块体，而在高温或真空下干燥时得到粉末；

(b) 整块MOFs (monoHKUST-1)的光学照片，表明保持了模具的形状；

(c) monoHKUST-1的粉末XRD。

图二 单块和粉末MOFs样品的TEM图像。

(a) powdHKUST-1 的TEM图像；

(b) monoHKUST-1的TEM图像；

(c) a和b对应区域的EDX图像。

图三 HKUST-1气体吸附性能

(a) 在298K下绝对体积甲烷吸附等温线对比：monoHKUST-1（红线实心圆）， monoHKUST-1通入过量体积甲烷（红线空心圆）， HKUST-1（蓝），HKUST-1在27.6 MPa下封装（黑），HKUST-1在68.9 MPa下封装（黑），虚线为DOE目标 ；

(b) 甲烷在298 K时的平衡时间与平衡压力函数；

(c) 40bar时压力随时间的变化曲线monoHKUST-1 (蓝) and powdHKUST-1 (红)。

图四 monoHKUST-1 的机械性能研究

(a，b) 杨氏模量和硬度 ；

(c) 光学显微镜显示残余凹痕阵列，无径向开裂的证据；

(d) AFM剖面描绘了一个典型缩进的三维图像，显示没有表面开裂的迹象，表明了良好的整体机械弹性。

【小结】

这项工作采用溶胶-凝胶法成功的合成了块体MOFs，不需要粘结剂和高压。该材料在65bar压力下显示出优良的的甲烷存储容量259cm³/cm³,成功致密化并成型后，成为第一个符合标准的甲烷吸附剂，达到美国能源部目标，考虑到早期关于甲烷储存准确的计算模型，研究人员推断，这种多孔材料已经达到环境温度下甲烷贮存能力的物理极限。从机械性能的角度来看，块体MOFs的硬度是任何传统的材料的硬度的两倍。虽然需要对整体材料进行进一步的加工，以有效地封装并热处理，这项工作在MOFs的形貌化和致密化方面是一个重要的进步。块体MOFs具有的高体积甲烷吸附容量和弹性的机械性能对于天然气的存储及其他工业化应用打开了一扇大门。

文献链接：A sol–gel monolithic metal–organic framework with enhanced methane uptake（Nature Materials, 2017, DOI: 10.1038/NMAT5050）

本文由材料人纳米学术组chenyuan供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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