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科學(xué)家合成具有優(yōu)異高壓甲烷吸附性能的共價有機(jī)框架材料

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2024-11-15 15:30:35

本報訊（記者李思輝實習(xí)生何睿）武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院教授汪成團(tuán)隊在超高比表面共價有機(jī)框架（COF）材料用于甲烷吸附方面取得新進(jìn)展。近日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《科學(xué)》。

目前，高密度天然氣（主要成分為甲烷）主要為液化天然氣和壓縮天然氣，其儲存存在成本高、能耗大、有安全隱患等問題。相比之下，吸附天然氣技術(shù)利用甲烷吸附劑在相對低壓下實現(xiàn)高效存儲，為車載運(yùn)輸應(yīng)用提供了一種安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的存儲替代方案。當(dāng)前已有大量多孔材料的甲烷吸附研究，但難以兼顧質(zhì)量容量和體積容量，其性能仍無法滿足實用要求。

理論分析表明，性能優(yōu)異的甲烷吸附多孔材料應(yīng)具備高比表面積及適宜孔徑。COF是一類由有機(jī)分子構(gòu)筑基元通過共價成鍵組裝、在二維或三維方向上形成的新型晶態(tài)多孔材料。由于其固有的多孔性和共價鍵連接特性，超高比表面COF可作為一種具有高穩(wěn)定性的甲烷吸附劑。三維COF通常具備更高比表面積，但其合成和結(jié)構(gòu)表征面臨巨大挑戰(zhàn)，而且常見的框架互穿問題會顯著減少表面積。

汪成團(tuán)隊以六連接立體節(jié)點與三角形分子為前體進(jìn)行縮聚反應(yīng)，成功設(shè)計合成了兩種席夫堿連接的超高比表面微孔三維COF。他們通過三維電子衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，發(fā)現(xiàn)兩種三維COF均具有一種罕見的自互鎖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于避免了常見穿插拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的緊密堆積，在減小框架孔徑的同時又保證了構(gòu)筑單元的充分暴露，兩種COF均表現(xiàn)出超高的質(zhì)量比表面和體積比表面以及合適的微孔孔徑。

甲烷吸附實驗表明，這兩種COF均具備優(yōu)異的高壓甲烷吸附性能。這項研究不僅證實了COF在能源氣體儲存方面具有很大的應(yīng)用潛力，還為構(gòu)筑兼具高質(zhì)量比表面和體積比表面的多孔材料提供了重要指導(dǎo)。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adr0936

《中國科學(xué)報》 (2024-11-14 第1版要聞)

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