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        儲氫材料的新載體
        ——金屬有機框架材料

        2010-07-02 00:34:25賴文忠戈芳李星國
        大學(xué)化學(xué) 2010年3期
        關(guān)鍵詞:儲氫配位配體

        賴文忠戈芳李星國*

        (1三明學(xué)院化學(xué)與生物工程系 福建三明365004;2北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 北京100871)

        今日化學(xué)

        儲氫材料的新載體
        ——金屬有機框架材料

        賴文忠1,2戈芳1,2李星國2,*

        (1三明學(xué)院化學(xué)與生物工程系 福建三明365004;2北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 北京100871)

        氫的存儲對于21世紀“氫經(jīng)濟”的發(fā)展至關(guān)重要。金屬有機框架(MOFs,metal-organic frameworks)材料是一種新型多孔結(jié)晶材料,具有高孔性、比表面積大、合成方便、骨架大小可調(diào)、純度高及結(jié)晶性好等優(yōu)點。這類材料在氣體存儲尤其是氫的存儲方面展示出廣闊的應(yīng)用前景,已成為研究儲氫材料載體的熱點。本文主要介紹MOFs材料的結(jié)構(gòu)特點、合成方法、儲氫性能及其影響因素,進一步對MOFs儲氫材料的發(fā)展進行展望。

        能源是社會存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),隨著工業(yè)化的進程和人們生活水平的提高,對能源的需求與日俱增。現(xiàn)代工業(yè)依賴的化石燃料儲量有限、不可再生,且在使用中存在環(huán)境污染等問題,因此尋找可再生的綠色能源迫在眉睫。氫能資源豐富,能量密度高且環(huán)境友好,已引起廣泛關(guān)注[1]。世界各國都高度重視氫能的開發(fā)和利用,期望在21世紀中葉進入“氫經(jīng)濟”時代[2]。氫能的有效開發(fā)和利用需要解決的3個關(guān)鍵問題是氫的制取、存儲和應(yīng)用。作為其中的重要環(huán)節(jié)之一——氫的存儲,要求儲氫系統(tǒng)安全、容量大、成本低和使用方便。2010年,美國能源部(DOE)提出的實用化儲氫系統(tǒng)的指標為:儲氫質(zhì)量百分數(shù)為6.5%,體積容量為62kg/m3,車用儲氫系統(tǒng)的儲氫能力大于3.1kg/m3[3]。我國也高度重視儲氫技術(shù)的發(fā)展,在“863”高新技術(shù)發(fā)展規(guī)劃和“973”計劃中,儲氫材料是重點研究的項目。儲氫材料(系統(tǒng))應(yīng)滿足以下要求:①環(huán)境溫度下盡可能低的儲放壓強;②高的存儲能力;③放氫速度快、能耗小、安全性高;④循環(huán)使用壽命長。

        目前發(fā)展的儲氫方式有:氫氣液化或者通過金屬/合金、配位金屬化合物、有機液體、碳基多孔材料吸附氫氣等。儲氫材料按材料與氫的結(jié)合方式可分為兩大類:化學(xué)儲氫(如儲氫合金、配位氫化物、氨基化合物、硼氫化合物、有機液體等)和物理儲氫(如碳基材料等)[4]。傳統(tǒng)的儲氫材料由于儲氫量較低、成本較高,難以滿足氫能源工業(yè)的需求。因此,需繼續(xù)探索新型的儲氫材料。近年來,金屬有機框架(metal-organic frameworks,簡稱MOFs)材料備受關(guān)注。這種材料由金屬離子和有機配體形成,具有孔隙率高、比表面積大、結(jié)構(gòu)豐富、骨架可調(diào)控以及純度和結(jié)晶度高等優(yōu)點,已成為儲氫載體材料研究的熱點。本文主要介紹MOFs材料的結(jié)構(gòu)特點、合成方法、儲氫性能及其影響因素,并對MOFs儲氫材料的發(fā)展前景進行展望。

        1 金屬有機框架材料的結(jié)構(gòu)特點

        金屬有機框架材料是一類由金屬離子與含氧、氮等的多齒有機配體(大多數(shù)是芳香多酸)自組裝形成的微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的配位聚合物。按配體的不同,可分為羧酸類配合物、含氮雜環(huán)類配體聚合物、混合配體類配合物、有機膦配體構(gòu)筑的配位聚合物等。MOFs材料的結(jié)構(gòu)特點主要有:①多孔性與孔形狀的多樣性。MOFs的孔徑范圍一般在0.38~2.88nm。例如,MOF-177[5]孔徑為1.09~1.18nm,是目前已知的儲氫量最大的化合物;MIL-101[6]孔徑為3.0~3.4nm;具有相互貫穿的微孔和介孔結(jié)構(gòu)的[Cu(btc)2(H2O)3][7]最大孔徑達31nm,是目前報道的孔洞最大的化合物。②比表面積大。設(shè)計和合成高比表面積的物質(zhì)是多孔材料研究的挑戰(zhàn)之一。已知的材料中,活性炭的最大比表面積為2030m2·g-1,沸石的最大比表面積為904m2·g-1,許多MOFs材料的比表面積可超過1000m2·g-1,而MOF-177的比表面積高達4500m2·g-1[5],迄今為止發(fā)現(xiàn)的比表面積最大的 MOFs材料(MIL-101)的比表面積達5900m2·g-1[6]。③結(jié)構(gòu)的多樣性。有機配體及配體與中心金屬離子配位結(jié)合方式的多樣性決定了MOFs材料結(jié)構(gòu)的多樣性;通過選擇和調(diào)整有機配體的大小和形狀,可以控制合成不同拓撲結(jié)構(gòu)、不同孔徑大小的MOFs。④金屬配位的不飽和性。在MOFs材料的合成中,因空間位阻等原因,金屬離子除了與大的有機配體配位外,還會結(jié)合一些小的溶劑分子(如水、乙醇、DMF等)以滿足其配位數(shù)的要求。這類MOFs材料在高真空下加熱一段時間,小分子會從骨架中排出,引起金屬離子配位的不飽和,具有了結(jié)合其他分子的能力,也會導(dǎo)致骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生堿性位和酸性位。

        2 金屬有機框架材料的合成

        要合成具有一定性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的MOFs化合物,需要合理選擇反應(yīng)物并控制反應(yīng)條件。主要影響因素包括:①中心金屬離子。金屬離子對配位聚合物的最終結(jié)構(gòu)具有決定作用。選用不同的金屬離子可對組裝過程進行調(diào)控,不同配位構(gòu)型的金屬離子可得不同拓撲結(jié)構(gòu)的分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。中心金屬原子多選過渡金屬離子,如Zn2+、Cu2+、Ni2+、Pd2+、Pt2+、Ru2+和Co2+等。②有機配體。有機配體對配位聚合物的合成也起決定作用。不同的配體既影響配合物的合成,又影響配體網(wǎng)絡(luò)的空間結(jié)構(gòu),控制著金屬-金屬之間的距離和晶體結(jié)構(gòu)維數(shù)。有機配體要求含有兩個或兩個以上給電子原子的多齒型官能團如CO2H、CS2H、NO2、SO3H、PO3H等的化合物。其中,羧酸根離子與金屬離子之間的配位作用強,配位方式多樣,在MOFs材料合成中的應(yīng)用最為廣泛。常見的羧酸配體有對苯二甲酸、均苯三甲酸、羧基取代的苯氧乙酸等芳香羧酸配體。③金屬離子和配體的物質(zhì)的量比。改變金屬離子與配體的物質(zhì)的量比,可引起金屬離子配位數(shù)的改變。④溶劑和模板劑。金屬鹽和多數(shù)配體都是固體,需要溶劑溶解,同時配體應(yīng)去質(zhì)子化以促進其對中心離子的配位作用,目前使用較多的去質(zhì)子化堿為有機胺類物質(zhì),如三乙胺,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二乙基甲酰胺(DEF)等。為了使合成的金屬有機框架具有理想孔隙,還需要選擇適宜的模板試劑。有機胺離子(如乙胺、三乙胺、二甲胺等)、無機陰離子、中性客體分子(如聯(lián)吡啶)都可以在配位化合物的形成過程中起模板效應(yīng),不同的模板劑會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)完全不同的框架,有關(guān)模板劑調(diào)節(jié)MOFs孔結(jié)構(gòu)的機制還有待深入研究。溶劑分子與骨架間的弱相互作用,是穩(wěn)定骨架的一種有效方法,溶劑分子不僅可作為客體分子填充在化合物的孔洞中,避免產(chǎn)生太大的空間,還可作為客體誘導(dǎo)形成具有不同結(jié)構(gòu)和功能的化合物;去質(zhì)子化溶劑的選擇也會影響產(chǎn)物的框架結(jié)構(gòu)。⑤溫度和pH。溫度不同會影響有機配體的配位能力,導(dǎo)致生成的框架結(jié)構(gòu)不同;pH控制著體系的質(zhì)子數(shù),直接影響配體的結(jié)構(gòu)和配位能力,反應(yīng)溶液的pH不同,生成的框架結(jié)構(gòu)也不同,pH增大會使MOFs材料的框架單元隨之增大。⑥陰離子。體系中的陰離子既起平衡電荷作用,又影響配合物拓撲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。陰離子的配位能力、陰離子的體積及陰離子的模板效應(yīng),在一定程度上決定了配合物最終結(jié)構(gòu)的形成。

        MOFs材料的合成多采用溶液法和溶劑熱(水熱)法,離子液體法、微波和超聲波合成法等也有報道。在溶液法中,將金屬鹽、有機配體和溶劑按一定比例混合,放入一個小玻璃瓶中,將此小瓶置于加入去質(zhì)子化溶劑的大瓶中,封住大瓶口,靜置一定時間后即有晶體生成。該方法條件比較溫和,易獲得高質(zhì)量單晶,但反應(yīng)較耗時,且要求反應(yīng)物在室溫下能溶解于所選溶劑體系。溶劑熱法是將反應(yīng)物與有機胺、去離子水、乙醇和甲醇等溶劑混合,放入帶有聚四氟乙烯襯里的不銹鋼反應(yīng)釜中,在一定溫度(一般100~200℃)使反應(yīng)發(fā)生。該方法解決了反應(yīng)物在室溫難溶的問題,具有反應(yīng)時間短、晶體質(zhì)量好等特點。離子液體法采用在室溫或接近室溫時能以液體存在、極性高的有機鹽做溶劑,這類溶劑對某些體系溶解能力強,反應(yīng)過程蒸氣壓低,熱穩(wěn)定性高。微波和超聲波法合成MOFs,則具有產(chǎn)物結(jié)晶快、物相選擇性好、產(chǎn)物粒徑分布窄和物相形態(tài)易控的特點。

        3 金屬有機框架材料的儲氫研究及影響儲氫性能的因素

        MOFs材料儲氫原理基于物理吸附,其最大儲氫量與比表面積有近似的線性關(guān)系,這意味著提高比表面積可提高其儲氫量[4]。因此,大的比表面積是作為儲氫的MOFs材料應(yīng)具有的基本特性。在開展MOFs材料儲氫性能的實驗和理論研究中[8-15],MOF-5的研究開創(chuàng)了該領(lǐng)域的先河[16],2003年首次報道了其儲氫性能的測試結(jié)果[17]。MOF-5的典型結(jié)構(gòu)見圖1,它在298K、2MPa的條件下吸氫量為1.0%(質(zhì)量分數(shù),下同),在77K、0.1MPa為4.5%。在室溫下,MOFs的儲氫量一般小于1.0%,在77K時飽和吸氫量一般為2.0% ~7.3%(5~8MPa)[18]。目前報導(dǎo)的儲氫量最大的是MOF-177(圖2[19]),它在77K、7MPa條件下的飽和儲氫量達7.5%[5],這一結(jié)果已達到美國能源部(DOE)提出的2010年儲氫目標。美國國家標準技術(shù)研究院(NIST)、馬里蘭大學(xué)和加州理工學(xué)院組成的一個研究組對金屬有機骨架結(jié)構(gòu)材料用作儲氫材料的可能性評價指出,MOFs材料結(jié)合并釋放氫具有明顯的優(yōu)勢。MOF-74是一種多孔晶體粉末(圖3[20]),其微觀結(jié)構(gòu)像緊密捆扎在一起的“麥稈”束,這種“麥稈”結(jié)構(gòu)主要由碳原子構(gòu)成,內(nèi)壁附有鋅離子。利用中子衍射和氣體吸附技術(shù),研究人員發(fā)現(xiàn)77K時,MOF-74可以比目前任何不加壓結(jié)構(gòu)材料吸附更多的氫(表面組裝密度更大),而這些氫分子比冰凍成塊的氫更加緊密。

        圖1 MOF-5的典型結(jié)構(gòu)圖

        為了進一步改善MOF-5的儲氫性能,研究者通過改變MOF-5的有機聯(lián)結(jié)體或者同時改變中心金屬離子,以合成新的、結(jié)構(gòu)類似的MOFs類材料IRMOFs(isoreticular metal-organic frameworks)和 MMOMs (microporousmetal-organic frameworks),已經(jīng)實現(xiàn)了MOFs類儲氫材料的儲氫性能的明顯改善。通過改變MOF-5中的有機聯(lián)結(jié)體BDC[21-22],得到了一系列具有相同拓撲結(jié)構(gòu)的多孔聚合物(IRMOF-n(n=1~16)),在相同條件下的儲氫性能大多比MOF-5好,其中IRMOF-13的儲氫量最高,達到10個氫氣分子,其吸放氫容量為MOF-5(只有5個氫分子)的兩倍。

        圖2 MOF-177的結(jié)構(gòu)

        圖3 MOF-74結(jié)構(gòu)圖

        MMOMs系列配合物也具有和MOF-5相似的結(jié)構(gòu)。其中,MIL-101在77K、8MPa條件下儲氫量可達6.1%[6]。我國研究者在這一領(lǐng)域也作出了一系列的工作[23-31]。北京大學(xué)研究組合成了MMOMs材料M(HBTC)(4,4-bipy)·3DMF(M=Co,Ni)并研究了這類材料的儲氫性能[23-25]。研究發(fā)現(xiàn),活化溫度太高會造成材料結(jié)構(gòu)的坍塌和改變,活化溫度太低則溶劑分子不能被完全除去而占據(jù)材料的孔道,影響材料的儲氫能力。453K活化的Ni(HBTC)(4,4-bipy)·3DMF和433K活化的Co(HBTC)(4,4-bipy)·3DMF具有最高的比表面積,分別達到1590m2·g-1和887m2·g-1。Ni(HBTC)(4,4-bipy)·3DMF在77K和298K下的吸氫量分別達3.42%和1.20%,而Co(HBTC)(4,4-bipy)·3DMF在77K和298K下的吸氫量分別達2.05%和0.96%。南開大學(xué)[26]應(yīng)用放射性稀土元素Sm與Co、Zn分別混雜制備了兩種多孔性的MMOMs材料{[Sm2(L)6Co2][Co(H2O)]6·3H2O}n(Sm-Co)和{[Sm2(L)6Zn3(H2O)]6·1.5H2O}n(Sm-Zn)(H2L=oxydiacetic acid,乙二醇酸),其中Sm-Zn材料具有大的孔道結(jié)構(gòu),吸氫量在77K和298K時分別達到1.19%和0.54%。吉林大學(xué)課題組經(jīng)過對有機配體和中心金屬離子的改變,報道了多種MMOMs材料的合成[27-28],其中以Cd(Ⅱ)為中心金屬離子、H2bpdc(2,2-聯(lián)吡啶-3,3-二羧酸)為有機聯(lián)結(jié)體的MMOMs材料JUC-48在77K、4MPa條件下的儲氫量達到2.8%,相當(dāng)于每克JUC-48吸附311.1mL氫氣或每個JUC-48分子吸附12個氫氣分子;以正方形葉輪型的Cu2(CO2)4(H2O)2為二級結(jié)構(gòu)單元的具有NbO型網(wǎng)絡(luò)拓撲的Cu2(ABTC)(H2O)2·(DMF)(H2O)(JUC-62)在77K、4MPa條件下的吸氫量達到4.71%。

        影響MOFs材料儲氫性能的主要因素有:①孔徑大小和孔隙率。一般說來,孔徑大小與所吸收氣體分子的范德華半徑相近時,它們的作用力最大??赏ㄟ^調(diào)整孔徑的大小調(diào)整MOFs的儲氫量。減小孔徑,可以提高氫分子與孔壁之間的作用力,但減小孔徑常常會引起比表面積的減小,因此需要合成孔徑大小合適、表面積較大的MOFs。MOFs孔徑的大小調(diào)整可通過在大孔中插入一個客體分子實現(xiàn)。例如,在液相中向MOF-177的大孔(見圖4所示[5])中引入C60和賴卡特染料等大分子[19],既可減小大孔的體積,又可引入新的吸附位,但引入的客體分子會增加基體密度,計算吸氫量需要考慮補償。因此,引入客體分子時一般選用輕質(zhì)、活潑、細長的分子化合物,防止引入的客體在吸收位引起堵塞和隨氫氣的釋放而流失。也可通過互穿結(jié)構(gòu)調(diào)控孔的尺寸,可以在不增加基體密度的前提下減小孔徑的大小,且不會引起吸收位的堵塞。具有互穿結(jié)構(gòu)的MOFs比沒有互穿的MOFs的儲氫量大。②比表面積。通常MOFs的比表面積越大,則飽和吸氫量越大,所以要增加吸氫量可以從增加比表面積入手。MOFs的孔壁越薄、暴露在外的邊和面越多,比表面積越大,MOFs的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也會增大比表面積。③等量吸附熱。等量吸附熱(Qst)是基于Clausius-Clapeyron方程的一個微分量,它與氫分子的吸收熱有關(guān),是評價多孔材料中吸附質(zhì)與吸附劑之間作用力的一種方法。對于每個MOFs來說,達到飽和吸氫量時的壓力不同,這與吸收熱有關(guān)。研究表明,要增加MOFs的儲氫量,可以提高Qst,即提高氫分子與MOFs之間的作用力,從而提高MOFs的室溫儲氫量。④有機配體。非彈性中子衍射(INS)實驗表明,在MOFs中至少存在兩種吸氫位,一種是伴隨著無機簇的強吸收位,另一種是有機配體吸氫位。在有機配體周圍吸引氫分子在高吸氫量時表現(xiàn)顯著,有機配體尺寸越大,吸氫位越多[32]。有機配體的官能團還可剪裁孔徑的尺寸和改變孔洞周圍的環(huán)境[33]。有機配體的長度增加(如加入一個苯環(huán)),Qst一般會提高[34]。有機配體的選擇和修飾會影響MOFs的吸氫量。⑤金屬離子。MOFs金屬離子組分也會影響其儲氫量,金屬離子越重,重量儲氫量小,因此可以采用輕質(zhì)金屬離子為中心制備MOFs材料。

        4 金屬有機框架儲氫材料展望

        圖4 MOF-177結(jié)構(gòu)圖

        MOFs材料具有豐富的結(jié)構(gòu)和較高的儲氫容量,已成為儲氫材料研究的熱點。經(jīng)過近10年的努力,MOFs材料在儲氫領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得很大進展,如互穿結(jié)構(gòu)的研究、氫氣吸附位的確定等,不僅儲氫性能有了大幅度提高,而且用于預(yù)測MOFs材料儲氫的理論模型和理論計算也在不斷發(fā)展、逐步完善。MOFs作為一類可望獲得應(yīng)用的新型儲氫多孔材料,已顯示出值得期待的應(yīng)用前景。不過,目前仍有許多基本的理論和應(yīng)用問題需要解決。例如MOFs材料的儲氫機理、MOFs材料結(jié)構(gòu)與其儲氫性能的關(guān)系、MOFs中有機配體的官能團影響吸氫量的機理等。另外,等量吸附熱(Qst)大的MOFs的比表面積往往較小,其吸氫量仍偏少,無法滿足室溫使用的要求;MOFs材料在77K時的吸氫量較大,但在常溫常壓下的儲氫性能尚待提高,距車載儲氫系統(tǒng)的要求還有很大差距。這些問題的解決將對提高MOFs材料的儲氫性能并使之實用化起到重要的作用。

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