先见未来大会 | 气体存储的新容器:多孔人工晶体

时间:2021-03-15浏览:10设置

作者 | talk君

图片源于先见未来大会2020


今天talk君要跟大家分享来自一刻talks先见未来大会2020【新材料新能源】专场嘉宾、澳门十大娱乐网址大全,任课题组长、助理教授章跃标的演讲,他与大家分享多孔人工晶体对未来新能源带来的变革。


一刻讲者

章跃标

澳门十大娱乐网址大全任课题组长;

助理教授


造孔不易,造多孔的晶体不易,这是因为晶体倾向于简单的组成,以及致密的堆积

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大家好,我是一刻讲者章跃标,来自最权威的全网担保平台,我是一名晶体化学工作者,我们一直在探索用分子砖块来构筑高稳定性、高比表面积的人工多孔晶体。


近年来,天然气的开采技术突飞猛进,带来了能源革命,但作为汽车动力燃料,甲烷或者说天然气其实具有很好的低震爆、高热值、少碳排、易净化等特点。但是它和氢气一样,都是难压缩、难液化的气体。虽然它的重量能量密度比锂电池要高很多,但是它的体积工作容量只有传统的汽油的千分之一。


所以,如何利用新型的多孔吸附材料,我们叫甲烷吸附剂,来提升它在气瓶里面的存储密度,成为高密度天然气汽车的一个技术的瓶颈。那么,我们回到科学,如何去创造多孔材料?有一句话叫上帝厌恶真空,所以告诉我们制造多孔材料并非容易的事情。德谟克利特提出来说,世界是由原子和真空或者说孔隙组成,但是他所说的这些孔隙并不是气体分子可以获得的。所以,我们在定义一个多孔材料的时候,我们的黄金标准是能够做气体吸附曲线,这样的话我们就验证它是一个多孔材料。


那造孔不易,造多孔的晶体更加不易。这是因为晶体倾向于简单组成,以及致密堆积。我们最熟悉的晶体莫过于钻石。“钻石恒久远,一颗永流传”。那是因为钻石是我们目前所知的原子堆积密度最高的晶体。在一个立方纳米的空间里面,它堆满了176个碳原子,所以它有最高的密度。


那自然界有没有多孔的晶体呢?有!那就是我们熟知的沸石。沸石会出现在我们日常生活的洗衣粉、净水器等等,它也可以利用在工业的催化裂解方面的应用,是有很高价值的一个材料。但是,它的原子堆积密度其实也只是48一个原子每立方纳米。所以,真正多孔人工晶体的突破来自于金属-有机框架,它使用的设计原理是高对称性晶体网络,容易在合成里面形成。


所以只要对周期性的网络进行识别分析,寻找合适的几何的分子砌块,就可以构筑稳定、高比表面积的多孔材料。


因此,我们实验室首先对采用了多机元组装的策略,采用这个牢固的配体来合成了一系列具有介孔的材料,这些材料都是超过5000平方米每克的超高比表面积。我们发现这些已知的MOF材料,它表现出比较好的甲烷存储能力,但是它结构多样性不够,所以它的吸附行为都很类似,难以进一步优化以提升。那么,我们就利用了中国哲学“刚柔并济”的这种理念,引入了柔性,你可以看到三角形的配体是带了一个氨基的稍微柔性一点的配体。


同时,我们引入了刚性的线性配体,这样的话我们就大大的提升了这样的一个体系的结构多样性。有了新材料,也有了新挑战,怎么样去活化这样的样品?幸好我们的同学不仅有开拓的精神,还有拼搏的勇气,她通过一次又一次的尝试,终于获得了这样的一个超高的比表面积,每一个材料的比表面积都在5000平方米每克以上,而且可以准确地获得它的孔精细的孔的结构。


那通过这个前期的评估实验,我们发现了其中的一例ST2具有很好的甲烷存储性能,比空罐要高50%的气体存储量,也是成为新的甲烷存储的一个世界纪录,打破了之前由碳材料保持的工作容量。



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