研究背景
隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮脑黾樱瑲錃庖蚱淞闩欧藕透弑饶芰棵芏缺粡V泛認(rèn)為是未來(lái)的理想燃料。然而，氫氣的低體積密度使得當(dāng)前的存儲(chǔ)和運(yùn)輸需要高達(dá)700巴的壓縮氣瓶，這不僅成本高昂，還存在安全隱患。因此，開(kāi)發(fā)高效的氫儲(chǔ)存系統(tǒng)成為了研究熱點(diǎn)。氫氣儲(chǔ)存的一個(gè)關(guān)鍵概念是儲(chǔ)存材料的體積和質(zhì)量容量。美國(guó)能源部（DOE）設(shè)定的目標(biāo)是氫氣儲(chǔ)存材料的質(zhì)量?jī)?chǔ)存能力達(dá)到6.5 wt%和體積儲(chǔ)存能力達(dá)到50 g l-1。然而，許多現(xiàn)有的吸附材料在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量容量的同時(shí)，體積容量卻未能滿足這些目標(biāo)。此外，體積容量對(duì)于工業(yè)應(yīng)用尤為重要，因?yàn)槠?chē)儲(chǔ)存罐的體積有限，而氫儲(chǔ)存系統(tǒng)的體積容量對(duì)燃料電池車(chē)輛的行駛范圍有著更大的影響。因此，開(kāi)發(fā)既能實(shí)現(xiàn)高體積容量又具備優(yōu)異質(zhì)量容量的氫吸附劑是亟待解決的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者J. Fraser Stoddart、香港大學(xué)講座教授Chun Tang、西北大學(xué)Randall Q. Snurr教授等人在“Nature Chemistry”期刊上發(fā)表了題為“Balancing volumetric and gravimetric capacity for hydrogen in supramolecular crystals”的最新論文。研究者們提出了一種新的策略：利用氫鍵導(dǎo)向的鏈狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超分子晶體。通過(guò)這種策略，可以在材料中實(shí)現(xiàn)高體積和質(zhì)量表面積的平衡，同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和定制孔徑。氫鍵導(dǎo)向的鏈狀結(jié)構(gòu)允許構(gòu)造七重鏈狀超結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅具備了高體積表面積（1,855 m2 cm?3）和大質(zhì)量表面積（3,526 m2 g?1），還能夠在實(shí)際操作條件下（77 K/100 bar → 160 K/5 bar）實(shí)現(xiàn)高的可交付體積容量（53.7 g l?1）和質(zhì)量容量（9.3 wt%）。
研究亮點(diǎn)
1. 實(shí)驗(yàn)首次引入了氫鍵導(dǎo)向的鏈狀結(jié)構(gòu)策略，成功構(gòu)建了高度多孔的超分子晶體。這種策略利用氫鍵相關(guān)的點(diǎn)接觸相互作用，形成了七重鏈狀超結(jié)構(gòu)，使得晶體具備了高體積和大質(zhì)量表面積，同時(shí)增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和定制孔徑（約1.2–1.9 nm），為氫氣儲(chǔ)存提供了新方案。2. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)這種氫鍵導(dǎo)向的鏈狀結(jié)構(gòu)策略，獲得了RP-H101材料。該材料展示了高質(zhì)量表面積（3,526 m2 g?1）和均衡的體積表面積（1,855 m2 cm?3），并且在所有已報(bào)道的分子晶體中表現(xiàn)出最優(yōu)的穩(wěn)定性。RP-H101在實(shí)際操作條件下實(shí)現(xiàn)了高的體積容量（53.7 g l?1）和質(zhì)量容量（9.3 wt%），超越了DOE的系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)。這些結(jié)果表明，超分子晶體具有作為車(chē)載氫儲(chǔ)存材料的潛力，并且定向鏈狀結(jié)構(gòu)策略能夠有效設(shè)計(jì)出具有均衡高體積和質(zhì)量表面積的堅(jiān)固多孔材料。
圖文解讀
圖1：RP-H100和RP-H101的鏈化分析和晶體超結(jié)構(gòu)。 圖2. RP-H100和RP-H101的互穿分析。 圖4. RP-H100 和 RP-H101 的孔隙率表征和權(quán)衡特性。圖5：RP-H100和RP-H101的高壓氫氣儲(chǔ)存能力。
總結(jié)展望
本文的研究揭示了氫鍵導(dǎo)向的鏈狀結(jié)構(gòu)策略在構(gòu)建高性能多孔超分子晶體中的潛力。通過(guò)這一策略，研究人員成功設(shè)計(jì)出一種七重鏈狀超結(jié)構(gòu)，使得氫鍵相互作用能夠引導(dǎo)并定義多孔材料的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了高體積和高質(zhì)量表面積的平衡。這種創(chuàng)新的方法不僅提高了晶體的體積表面積（1,855 m2 cm?3）和質(zhì)量表面積（3,526 m2 g?1），還使材料在氫儲(chǔ)存條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和高的儲(chǔ)氫能力（53.7 g l?1的體積容量和9.3 wt%的質(zhì)量容量）。這種策略的應(yīng)用展示了超分子晶體作為氫儲(chǔ)存材料的巨大潛力，并強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)堅(jiān)固的多孔材料時(shí)，定向鏈狀結(jié)構(gòu)策略的重要性。未來(lái)，結(jié)合此類策略可以進(jìn)一步推動(dòng)氫儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展，提高其在車(chē)載儲(chǔ)存系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用性能，從而為氫燃料電池技術(shù)的普及和可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。 Zhang, R., Daglar, H., Tang, C. et al. Balancing volumetric and gravimetric capacity for hydrogen in supramolecular crystals. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01622-w
