物质学院章跃标课题组研发出具有超高甲烷储存容量的介孔MOF材料
文章来源:物质科学与技术学院/科技发展处            发布日期:2017-09-12            浏览次数:1693

我校物质学院章跃标教授课题组研发出具有超高甲烷储存容量的介孔MOF材料,在MOF的高容量甲烷储存方面取得了新突破。目前,该研究成果以“Engineering of Pore Geometry for Ultrahigh Capacity Methane Storage in Mesoporous Metal–Organic Frameworks”为题,在线发表于国际知名学术期刊《Journal of the American Chemical Society》(《美国化学会志》)上,章跃标为唯一通讯作者,物质学院2017级博士生梁聪聪、2016级博士生师兆麟、中山大学化学院博士后何纯挺为共同第一作者;上科大为第一完成单位。值得一提的是,物质学院2015级本科生周胡蝶利用在《材料科学基础I》课程中学习的实验技能,独立完成了该研究的合成控制实验,为共同作者之一。

一直以来,甲烷(天然气和可燃冰的主要成分)的高效存储是这一洁净能源在汽车和卡车等交通运输领域推广应用的技术瓶颈,因此,采用在气瓶内填充多孔材料以提升甲烷存储容量的ANG(Adsorbed Natural Gas)技术,具有广阔的应用前景和商业价值。而金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是由无机金属簇和有机配体构筑的晶态纳米孔材料,其具有超高的比表面积、结构可设计性和孔洞参数的可调节性,成为近二十年来ANG材料的重要发展方向。目前,MOF材料通常采用微孔结构实现其在较低的工作压力(<80 bar)的高效甲烷储存,但是其室温工作容量最高不超过208 v/v(5-80 bar),无法超越传统的CNG(Compressed Natural Gas; 259 v/v, 5-250 bar)技术,因此限制了其在更具环境和经济效益的大型卡车和长途运输等领域的应用。

研究团队通过引入精细调节的介孔结构和采用超高工作压力(<250 bar)的技术路线,实现了新突破。该研究结合了高压甲烷吸附实验和理论模拟技术,系统研究了系列具有Zn4O(-COO)6构筑单元的介孔MOF材料在超高压条件下的甲烷储存能力,包括UMCM-1,MOF-205和MUF-7a,以及新合成的系列MOF材料:ST-1至ST-4。研究表明,在298 K及5-200 bar条件下,ST-2在MOF材料中具有最高的甲烷工作容量(289 v/v, 567 mg/g),打破了此前由碳材料所保持的记录。此外,在物质学院Yongjin Lee教授课题组的帮助下,该研究还引入了大数据技术,探讨MOF材料的孔洞形状和能量分布的差异对吸附性能的影响,为下一步机器学习和人工智能材料研发提供新的思路。

该研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金、中组部青年千人计划和上科大科研启动经费的资助。MOF单晶结构的测试得到了上海光源BL-17B线站国家蛋白质科学中心(上海)工作人员的技术支持。


论文链接:

http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b08347

左为ST-2高压吸附曲线,右为ST-2单晶结构