美國(guó)西北大學(xué)（Northwestern University）的一個(gè)研究小組已經(jīng)設(shè)計(jì)并合成了具有超高孔隙率和表面積的新材料，用于存儲(chǔ)燃料電池動(dòng)力車輛常用的氫氣和甲烷氣體。
氫氣、甲烷這些氣體是替代二氧化碳的清潔能源替代品，此前為了尋找最優(yōu)化的存儲(chǔ)與運(yùn)輸方法，科學(xué)家們已經(jīng)開展過大量研究。
而如果要更生動(dòng)形象地描述一下這種MOF材料在其中發(fā)揮的神奇之處，那么——得益于其納米級(jí)的孔隙，一克這種材料的樣本（體積約為6顆M＆M巧克力豆），其表面積攤開可以足足覆蓋1.3個(gè)足球場(chǎng)！
這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人、西北大學(xué)國(guó)際納米技術(shù)研究所成員奧馬爾·法哈（Omar K. Farha）說：“我們已經(jīng)為下一代清潔能源汽車開發(fā)了一種更好的氫和甲烷氣體車載存儲(chǔ)方法。”“為此，我們使用化學(xué)原理設(shè)計(jì)了具有精確原子排列的多孔材料，從而實(shí)現(xiàn)了超高孔隙率?！?/p>
吸附劑是將液體或氣體分子結(jié)合到其表面的多孔固體。Farha還指出，這種新材料對(duì)于整個(gè)儲(chǔ)氣行業(yè)也可能是一個(gè)突破，因?yàn)樵S多行業(yè)和應(yīng)用都需要使用壓縮氣體，例如氧氣、氫氣、甲烷等。
這項(xiàng)研究結(jié)合了實(shí)驗(yàn)和分子模擬，使用化學(xué)原理設(shè)計(jì)了具有精確原子排列的多孔材料，成果最終于4月17日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。
這種MOF超多孔材料展示了驚人的氣體存儲(chǔ)性能。它名為“NU-1501”，由有機(jī)分子和金屬離子或簇構(gòu)建而成，這些簇會(huì)自組裝形成多維、高度結(jié)晶的多孔框架——你可以把它設(shè)想為一組Tinkertoy（和樂高一樣的電路積木），其中金屬離子或簇可以想象成圓形或方形的節(jié)點(diǎn)，而有機(jī)分子就像將節(jié)點(diǎn)連接在一起的桿。
研究人員們采用了6個(gè)有機(jī)連接體，與鐵、鋁、鉻或鈧的金屬三聚體一起構(gòu)建出NU-1500。其中，NU-1501-Al以0.66 gg-1的吸收量，一舉超過了美國(guó)能源部的重量甲烷存儲(chǔ)目標(biāo)（0.5 gg-1）。在100 bar / 270 K下為[262 cm3（標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力，STP）cm-3]，在270 K下為0.60 gg-1 [238 cm3（STP）cm-3]的5-100 bar的工作能力；它也顯示出在溫度和壓力擺幅（77 K/100 bar→160 K/5 bar）組合下，幾乎達(dá)到最佳的可輸送氫容量（14.0重量％，46.2克升-1）。
目前，以氫氣和甲烷為動(dòng)力的車輛需要高壓壓縮才能運(yùn)行。氫氣罐的壓力是汽車輪胎中壓力的300倍。由于氫氣的密度低，要達(dá)到該壓力付出的代價(jià)非常昂貴，而且由于氣體高度易燃，這樣的方案也不安全。
開發(fā)可以在較低壓力下將氫氣和甲烷氣體存儲(chǔ)在車上的新型吸附劑材料，可以幫助科學(xué)家和工程師達(dá)到美國(guó)能源部的目標(biāo)，即開發(fā)下一代清潔能源汽車。
為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要優(yōu)化車載燃油箱的尺寸和重量。這項(xiàng)研究中的高孔隙率材料平衡了氫氣和甲烷的體積（尺寸）和重量（質(zhì)量）可傳遞容量，使研究人員更接近實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的一步。
“我們可以在MOF的孔中存儲(chǔ)大量的氫和甲烷，并以比當(dāng)前燃料電池汽車所需低得多的壓力，將其輸送至汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)?！?/p>
西北大學(xué)的研究人員構(gòu)想了MOF的概念，并與科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的計(jì)算建模人員合作，證實(shí)此類材料非常吸引人。然后，法哈（Farha）和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，合成和表征了材料。他們還與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家合作進(jìn)行了高壓氣體吸附實(shí)驗(yàn)。
這項(xiàng)研究得到了美國(guó)能源部能源效率和可再生能源辦公室的支持（授予編號(hào)DE-EE0008816）。
