金属_有机框架物_MOFs_储氢材料研究进展.

・106・材料导报2008年11月第22卷第11
期
金属2有机框架物(MOFs 储氢材料研究进展3
郑倩, 徐绘, 崔元靖, 钱国栋
(浙江大学材料科学与工程系硅材料国家重点实验室, 杭州310027
摘要介绍了一种新型储氢材料———金属2有机框架物(Metal 2organic framework ,MOFs 。

该材料具有许多
优异的性能, 如密度小、比表面积大、气孔率高等, 并可通过组装来控制框架物的结构和孔径的大小, 是一种具有发展前景的新型储氢材料。

在总结、评述MOFs 储氢材料制备、表征、储氢性能及其影响因素等研究进展的基础上提出了今后的研究重点和发展方向。

关键词多孔材料金属2有机框架物储氢
Progress in the R esearch of Metal 2H ydrogen Storage
ZH EN G Qian , , Q IAN Guodong
(Department &, State Key Laboratory of Silicon Materials ,
University , Hangzhou 310027
Abstract hydrogen storage materials , metal 2organic f rameworks (MOFs are introduced in this re 2view. MOFs have many advantages , such as low density ,high specific surface areas and high porosity , and more im 2portantly the f ramework structure and pore size can be controlled by assembling the metal ion connector with an appro 2priate organic linker. MOFs have become the potential candidates for hydrogen storage materials. This mini review presents the recent advances in the synthesis , characterization , hydrogen storage properties and influeue factors of MOFs. The next challenges of MOFs are also discussed.
K ey w ords porous material ,metal 2organic f ramework ,hydrogen storage
0引言
近年来, 由于化石燃料及自然资源的大量消耗, 对于发展新型洁净高效的能源材料来取代传统化石燃料的要求越来越迫切, 亟需寻找一种可再生, 洁净且含量丰富的新型能源材料。

氢是宇宙中含量最丰富的元素, 有着成为将来主要能量载体的潜在优势。

最重要的是, 氢与氧气反应的唯一产物是对环境无污染的水, 这是当前所用石油等燃料所不能超越的优点。

然而, 由于氢的体积能量密度低, 如何储存大量的氢, 成为氢能源时代到来所要解决的一个关键问题[1-4]。

在氢气制备、传输、储存和使用过程中, 如何使氢气能安全有效地储存是当前最大的障碍。

如果储存的问题解决了, 必定激励氢气其他问题的解决[5]。

因此, 研究、开发氢气的储存材料与安全储氢技术是当前国际研究的前沿和热点。

目前人们已经发展了多种储氢方式, 如液化气体、金属与合
金、配位金属化合物、有机液体、碳基多孔材料等。

液化气体虽然储氢量大, 但是液化气体的成本高, 且在液化时会有大量的气体蒸发损失; 金属与合金、配位金属化合物类材料比较昂贵, 易发生材料中毒而使储氢能力下降, 重量储氢率较低, 且吸放氢速度慢, 存在滞后; 有机液体储氢材料的缺点在于脱氢过程困难, 需要耗去其储能总量的30%, 也不经济; 碳基等多孔储氢材料的缺点是其吸氢量较小, 且其微孔的大小和形状多种多样, 很难通过优化反应条件制得具有合适微孔体积和形状的
材料, 也不易确定吸氢位置[5,7,8]。

以上各类储氢材料的共同缺点是:①难以达到人工设计、改造其结构从而达到提高储氢能力的目的; ②难以通过实验方法确定其具体的吸氢位置, 进而改善其储氢性能。

而最近几年出现的金属2有机框架物(MOFs 则可以克服以上2个缺点, 有望成为一种理想的新型储氢材料, 引起了广泛的关注。

1储氢材料的研究目标及现状
美国能源部(DO E 提出要实现氢能源实用化的目标是, 至
2010年达到室温及安全压力下重量储氢率6. 5%(质量分数 ,
2MO Fs 储氢材料
MOFs 材料一般是由离散的金属氧化物团簇(Metal ion
connector 通过刚性有机链(Organic linker , 如芳香族多元羧酸
体积储氢率45g/L ;2015年重量储氢率9. 0%(质量分数 , 体积储氢率81g/L 商用要求。

[6]。

为寻找一种安全有效的储存材料和储氢技
术, 前人进行了大量的研究, 遗憾的是到目前为止, 尚无法满足
或多元胺等相互连接并自组装形成的晶态材料。

在连接过程中会形成多种有趣的拓扑结构, 这些结构的形成与基于苯环的多功能分子的链接方式的差异性、金属2氧或金属2氮核(四面体配位或八面体配位的点对称性有关[9]。

MOFs 的制备方法简
3国家自然科学基金(50625206 郑倩:1985年生, 研究生钱国栋:通讯联系人Tel :0571287952334 E 2mail :gdqian@zju. edu. cn
金属2有机框架物(MOFs 储氢材料研究进展/郑
倩等
单、产率高, 而且可以通过设计构建单元, 自组装获得不同结构的目标产物, 且所得产物具有稳定的规则多孔结构[5]。

大量研究表明, 通过变换金属离子中心和有机链可以改变MOFs 的孔洞尺寸和结构, 进而改变储氢性能[10-15]。

作为一类新型的储氢材料,MOFs 具有许多优点:密度小, 例如MOF 2177(Zn 4O (B TB 2,B TB 为1,3,52苯三安息香酸盐的晶体密度为0. 42g/cm 3[6], 是目前所报道的储氢材料中最轻的; 表面积大, 文献报道的MOFs 大多具有大于1000m 2/g 的表面积, 比沸石还要高, 尤其是MOF 2177,N 2吸附等温线显示它在77K 下有至今所报道的最大的吸附量, 其单层吸附表面积达到4500m 2/g [16]; 特有的立方微孔, 具有规则的大小和形状[5]; 气体吸附机理是物理吸附, 可以在室温、安全压力(小于2MPa 下快速可逆地吸收氢气。

除此之外,MOFs 还具有良好的热稳定性, [17]MOFs -的应用, 2, 以及苯、甲苯、二甲苯、硝基苯、[21]。

最近几年, 作为对MOFs 材料气体吸附研究的拓展, 它在气体储存方面的应用研究日盛, 尤其是在氢气储存方面。

自从2003年O. M. Yaghi 课题组首次报道MOFs 的储氢研究以后[11], 大量的MOFs 储氢材料被合成出来, 关于MOFs 储氢的文章迅速增加。

至今已有近5000种二维和三维的MOFs 结构被报道, 其中只有一小部分测试了空隙率, 而被用于储氢研究的则更少[5]。

研究得最多的是以ZnO 4四面体为金属簇中心的MOFs 系列, MOF
25(Zn 4O (BDC 3,BDC 为1,42对苯二甲酸盐又是其中研究得最多的。

MOF 25在77K 下饱和吸氢量达4. 5%(质量分数 , 但在室温下, 2×106Pa 时只有1. 0%(质量分数[11]。

在室温下, MOFs 的储氢量一般小于1. 0%, 在77K 时饱和吸氢量一般为2. 0%～7. 3%((5～8 ×106Pa [22]。

至今报道的储氢量最大的MOFs 是2004年Yaghi
课题组研究的MOF 2177, 在77K 下达到了7. 5%[16], 吸氢量已达到DO E 提出的2010年目标, 现在的研究重点主要是实现在室温下达到这一目标。

・107・
以在液相中引入C 60和赖卡特染料等大分子[16], 如图1所示。

除了可以减小这种大孔中的自由体积外, 这些大分子还可以提供额外的吸附位。

但是, 额外引入的客体分子会增加基体密度, 这就需要通过额外增加的吸氢量来补偿。

所以在引入客体时, 一般选用轻质、活泼、细长的分子化合物, 以防引入的客体在吸收位引起堵塞和随着氢气的释放而释放[5]。

图1MOF 2177中11. 8! 大孔直径中引入C 60
提供更多的吸氢位置
Fig. 1The large porein MOF 2177is 11. 8! in diameter , large enough to include C 60molecules that m ay provide additional
surface sites for the physisorption of H 2
通过2个或多个MOF 进行互穿来调控孔的尺寸, 可以在不增加基体密度的前提下减小孔径的大小, 且不会引起吸收位堵塞[26]。

一般在使用长有机链时会发生这种情况, 金属簇单元不足以支撑长链形成的大孔径MOF , 从而形成两重或多重互穿结构, 提高结构的稳定性[10]。

具有互穿结构的MOFs 比没有互穿的MOFs 的储氢量大。

值得注意的是, 大部分互穿结构中都会有一定程度的相互交织, 相互交织的2个MOFs 之间紧密接触的面积较大, 导致暴露在孔洞中的吸附位减少, 不利于吸氢量的增加。

因此, 在合成具有互穿结构的MOFs 时, 要尽量使2个MOFs 间的接触面积最小化, 如图2所示。

3影响MO Fs 储氢性能的因素
3. 1孔径大小及孔隙率
一般的, 孔径小于20! 的孔洞称为微孔, 小于7! 的孔洞称为超细孔。

小孔径中, 孔壁分子的势场能量叠加, 所以在小孔中孔壁与气体分子之间的作用力较大[23]。

一般来说理想的孔径大小是与所要吸收的气体分子的范德华半径相近, 此时它们之间的作用力最大, 且与孔的形状无关[5]。

要提高MOFs 的储氢量, 可以通过调整孔径的大小来实现, 减小孔径, 可以提高氢分子与孔壁之间的作用力。

但又不能太小, 否则每个孔只能容纳1个分子, 吸氢量反而下降; 也不能太大, 否则孔壁与气体分子之间的作用力会减弱[24], 孔洞内将有部分体积空着, 导致容量密度减小。

还需注意的是, 减小孔径一般会减小多孔材料的表面积。

所以, 一般需要合成具有合适孔径大小、同时不降低表面积的MOFs [25]。

调整MOFs 孔径的大小可以通过在大孔中插入一个客体, 即通过在一个非挥发性客体中浸渍来达到。

例如,MOF 2177可
图2框架物之间靠一部分有机链的中间点接触连接在一起Fig. 2Th e close contacts b etw een the fram ew orks to only the mid 2points of a proportion of the linkers ,as rep resented by gray discs 此外, 还可以通过改变有机链的长短, 如使用较短的有机二羧酸盐链与金属簇相连形成具有小孔的MOFs ; 或改变简单立方拓扑结构, 如沿它的面或体对角线平行移动, 使拓扑结构稍加扭曲, 形成椭圆形孔[5]。

・108・ 3. 2比表面积
材料导报2008年11月第22卷第11
期
对于一般的多孔材料如沸石、碳基材料来说, 吸附气体的量与比表面积是成正比的。

但是, 在MOFs 中却不存在这种线性关系, 其原因是MOFs 具有远大于沸石、碳基材料等的比表面
2
积(大于1000m /g 。

当比表面积达到1000m 2/g 时, 吸附气体的量与比表面积之间就不存在线性关系了[25,27], 见图3。

一般MOFs 的比表面积越大, 则饱和吸氢量越大, 而与框架物的结构、中心离子无关[25], 如图4所示。

所以, 要增加吸氢量可以从增加比表面积入手。

定, 随吸氢量增加, 吸附从单层到了多层[24]。

M. Hirscher 与B. Panella [25]通过对MOF 25和Cu 2B TC (B TC 为1,3,52苯三羧酸盐的吸氢性能进行研究比较发现, 低压下,Qst 较大的Cu 2B TC 的吸氢量大于MOF 25, 这是因为低压下Qst 起主要作用, 而在高压下, 比表面积大的MOF 25的吸氢量大于Cu 2B TC , 因为此时比表面积起主要作用。

由此可见, 要增加MOFs 的储氢量, 除了要增加比表面积外, 还可以从提高Qst 着手。

提高Qst 即提高氢分子与MOFs 之间的作用力, 可以采用以下几种方式:(1 , 由
于未配位电子, 并且在合成时未饱, , 不但可、, , 增加吸收氢分子MOFs ; (2 减小孔
径尺寸, 前面已有述及; (3 选择合适的有机链, 在T. Sagara 等的研究中我们发现当链的长度增加时(如加入1个苯环 , Qst 一般会提高[29]。

O. H übner 等发现当加入一
氨基到苯环上时也能有效地提高Qst , 这种现象的原因归结于氨基给苯环轨道提供了1个电子, 类似地加入一烯烃也有这样的作用[30]。

3. 4有机链
非弹性中子衍射(INS 实验确定在MOFs 中至少存在两种吸氢位, 一种是伴随着无机簇的强吸收位, 一般先被占据, 是低压下吸氢的主要来源, 进一步实验表明有机链可以通过影响无机簇的局部电子, 从而影响这些位置与氢分子之间的作用力; 另
一种吸氢位是有机链, 当吸氢量进一步增加时, 在有机链周围出现氢分子, 有机链尺寸越大, 吸氢位越多[25]。

除此之外, 有机链的官能团可以剪裁孔径的尺寸和改变孔洞周围的化学环境[14]。

H. Chun 等[10]在保持拓扑结构不变的条件下, 对有机配体进行
化学修饰衍生出一系列Zn 4O 2MOFs , 初步研究表明, 在77K 和室温下链长对氢气的吸附量是有影响的。

目前尚不清楚配体表面能改变和几何形状改变的方法中, 究竟哪一种更容易提高吸附量。

但有一点是肯定的, 即有机链的选择和修饰对吸氢量是有影响的。

为增加MOFs 的储氢量必须对其中的影响机制进行进一步的研究, 以便对有机链进行合理选择和设计。

除了上述影响MOFs 储氢性能的因素外,MOFs 的密度也会影响其储氢量, 当MOFs 密度较大时, 重量储氢量小, 因此可以采用轻质金属离子为中心来制备
MOFs 。

X. Zhao 等[31]合成了一种新的MOF 。

该材料采用了具有柔韧性的有机链, 入口处的孔径小于内部孔洞的尺寸, 所以释氢存在滞后, 可以实现在高压下吸氢, 低压下储氢。

MOFs 的孔壁较厚时, 其吸氢量很少以至于不能应用。

孔壁越薄, 暴露在外的边和面越多, 比表面积越大[16]。

MOFs 网状合成解决了单元体的分割问题, 分割的有机单元通过在其端部连接配位金属原子或原子团簇等官能团, 增大了MOFs 的比表面积[5]。

3. 3等量吸收热
对于每个MOF 来说达到饱和吸氢量时所需要的压力是不相同的, 这与吸收热有关[25]。

等量吸附热(Qst 是基于Clau 2sius 2Clapeyron 方程的一个微分量[28], 由于推导应用了等量不变的条件, 被称为等量吸附热。

它与氢分子的吸收热量有关, 可以认为是评价多孔材料中吸附质与吸附剂之间作用力的一种方法。

Qst 可以通过不同温度下的气体等温吸附曲线计算, 其大小随吸氢量的增加而减小[4]。

根据B ET 理论, 气体分子在吸附剂中是逐层吸附的, 第一层由气体分子与吸附剂之间的作用力决定, 第二层或更深层则是靠类似于吸附质蒸气的潜热决
4MO Fs 的合成方法及表征
MOFs 一般都是用溶剂热法合成的, 有研究表明, 合成的方
法不同得到的MOFs 的性能有可能不一样。

O. M. Yaghi 等[32]采用分步合成
和一次性合成制备MOF 2500([(Fe 3O 4 2(SO 4 (BPDC 6(BPE 6]8-[N H 2(CH 3
2+13H 2O ・8DMF],BP 2DC 为4,4′二苯二甲酸,BPE 为顺式21,22二242乙烷吡啶时发现合成的最终产物在吸氢性能上有所差异, 这是因为分步合成的中间产物IRMOP 251([(Fe 3O 4 (SO 4 (BPDC 6(py 12]8-[N H 22
(CH 3 2+13H 2O ・8DMF , py 为嘧啶]不溶, 从而阻碍了MOF 2
500的合成。

进一步的研究还发现, 制备过程中MOFs 暴露在
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J. Perles 等[34]用溶剂热法合成Sc (BDC 3时用有机酸及其钠盐的混合液为有机配体, 并加入O 2Phen (邻菲罗啉来调整溶液的p H 值, 最后得到了单一相的产物, 这可以用来指导我们合成高纯度的MOFs 。

对合成出来的MOFs 进行一定的活化也可以提高其储氢量, 如在碳基多孔材料中掺入某些金属离子或使用金属催化剂可显著增加吸氢量, 这是因为催化剂的作用将氢分子分解为氢原子, 通过表面扩散, 经化学键与吸收位相连, 它们之间的作用力明显比与氢分子之间的大[35]。

基于相同的原理, 或许也可以在MOFs 中加入催化剂来实现储氢量的增加, 这还有待于进一步研究证实。

MOFs 的表征方法相对比较简单, 单晶XRD 、来确定其结构与组成; 粉末XRD 、热分析(D T 定其结晶度和结构稳定性; 孔体积, 确定吸氢性能; (INS 探测氢气的吸附位MOFs 之间的作用力可以帮助我们更好地理解在这种材料上的物理吸附。

有研究发现, Monte Carlo 模拟的Ar 和甲烷在MOFs 中吸附, 与测量的吸附等温线符合[36]; 还尝试使用二阶Moller 2Plesset 微扰理论模拟了氢在MOF 25中的物理吸附[30]。

Monte Carlo 研究显示氢气与Zn 4O (CO 2 6团簇的结合能比与亚苯基的高1. 5kJ/mol , 但是在300K 时, 由于各种吸附位的分布变得很广, 所以作用能的值也
分布在一个大的范围里[37]。

上述计算机模拟研究可为我们探索新的MOFs 提供理论依据。

5结语
目前MOFs 材料的研究已经取得了诸多重要进展, 如吸氢位置的确定, 互穿结构的研究和未饱和金属离子为中心的
MOFs 的合成等。

作为一类可望获得应用的重要氢能材料, 已
经显示出光明的前景, 但尚存在一些难题, 有待突破, 如MOFs 中有机链中的官能团对吸氢量的影响机理还不是很清楚, 有待学者继续深入探究; Qst 大的MOFs 往往比表面积较小, 其吸氢量仍偏少, 无法满足室温使用的要求; 虽然MOFs 在77K 下的吸氢量结果令人欣慰, 但是在室温下的吸氢量仍不是很好, 距离实现车载储氢系统的理想要求还有一段路要走等。

为实现氢能源实用化, 增加室温下的吸氢量主要可以从以下两个方面着手:(1 合成具有纳米级孔径的MOFs ; (2 提高
Qst , 在大多数MOFs 中Qst 一般为3. 5～6. 5kJ /mol [38], 并且
随着氢气吸附量的增加,Qst 减小, 而只有在ΔH 超过-15kJ /mol 时才可能实现在室温下的应用。

期望选择一种适当的金属簇和有机链, 采用合适的合成方法配合, 形成一种新的拓扑结构。

这种新的MOFs 具有高比表面积、纳米级孔径、高的Qst , 还可以在其中掺入一些金属催化剂, 以实现室温下储氢能力的提高。

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(责任编辑张敏
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