一项可能改变储气行业的研究MOFs材料由有机分子与金属离子或金属簇构成

MOFs材料由有机分子和金属离子或金属簇组成。 有机分子通常含有碳、氧、氮、磷等元素，其中大部分是芳香族羧酸； 它们通过自组装形成多维、高度结晶、多孔的框架。 其最早的原型可能可以追溯到普鲁士蓝等材料。

“如果你想想象 MOF 是什么，你可以把它想象成一套 Tinker Toys（像乐高一样的电路积木）。” Omar向DeepTech介绍，“其中，金属团簇或离子可以看作是圆形或方形的积木，节点，而有机分子则是连接的横梁。”

奥马尔的研究小组一直在研究具有“原子精确定位”的功能材料，以解决化学和材料科学中令人兴奋的问题，其应用涵盖能源和环境相关领域。 他们致力于从根本上认识三维结构在改变材料功能中的作用，并将其应用于气体储存与分离、催化、水污染处理等方向。

“在这项最新研究中，我们根据过去的研究合成了一种名为 NU-1500 的 MOF。我们使用了 6 种有机连接体和铁、铝、铬或钪的金属三聚体来构建 NU -1500。”奥马尔说，这些起始材料表现出了良好的性能气体吸附特性。 然而，它们的孔径和体积相对较小，这限制了它们的重量分析性能。

“正是之前研究过这些材料中气体的体积和重量吸收之间的关系，激发了我们联系我们的合作者。他们可以计算类 MOF 结构的结构和性能之间的关系，”Omar 说。

科罗拉多矿业学院的 Ryther Anderson 模拟了许多具有相似拓扑、孔径和有机连接体的 MOF 的气体吸附行为。 奥马尔的团队从他们的工作中发现了一种以前从未合成过的新型 MOF，预计能够在甲烷和氢气的重量和体积储气性能之间达到理想的平衡。 然后他们在实验室合成了 MOF，并测量了其在不同条件下储存甲烷和氢气的能力。

Fraser Stoddart爵士的博士后李鹏浩负责有机配体的合成。 值得一提的是，弗雷泽·斯托达特爵士和另外两位科学家开发了分子机器并获得了诺贝尔化学奖。 他为化学的发展开辟了新纪元。 世界。 分子机器现在被用于开发新材料、新传感器和能量存储系统。

图| 具有超高孔隙率和表面积的有机-无机杂化多孔材料（来源：Timur Islamoglu & 陈志杰）

关于合成方法，陈志杰表示，他们采用溶剂热合成法来制备这种MOF——将金属盐和有机连接剂放入密闭容器中，在预热的加热炉中烘烤。 “该材料是用超临界二氧化碳活化的，这是我们开发的用于活化超高孔隙率和表面积 MOF 材料的常用方法，”他说。

那么，这种神奇的材料是否有可能在短期内大规模生产呢？ 对此，奥马尔表示，实验室目前的研究重点更侧重于在学术上增加人们对此类材料的基本了解，并开发其独特结构和性质关系的知识库。 “然而，从商业角度来看，我们认为扩大这种特殊 MOF 的最大材料成本来自于有机配体的合成，”他说，“因为金属三聚体是基于廉价且丰富的材料，如铝、铁和当然，如果引入溶剂回收系统，合成过程中有机溶剂的成本可以大大降低。”

奥马尔认为，这些材料未来很可能大规模商业化合成。 “我希望这项研究能够在未来几年得到应用，”他说。 “我认为它将进入的第一个领域是天然气储存行业。 事实上，已经有相关技术将一些 ION-X 气瓶转化为 MOF，用于商业应用，以相对较低的压缩压力储存有毒气体。”

在他看来，依靠MOF材料带来的安全优化将改变气体储存、运输和交付的方式。 “这项研究可能会改变整个天然气储存行业，”奥马尔说。

主要研究员及论文第一作者简介

图片| 左为陈志杰博士； 右边是李鹏浩博士（来源：本人）

陈志杰目前在西北大学化学系Omar Farha实验室从事博士后研究。 2008年考入上海交通大学化学化工学院，2012年本科毕业后赴沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）攻读博士学位。 2018年获得博士学位后，至今一直在西北大学从事博士后研究。

研究方向主要为框架材料的可控制备及功能化织物负载复合材料的性能研究，超高比表面积多孔材料的合成及其在氢气、甲烷储存、吸水等方面的应用。空气和神经退化。 在载毒MOFs/聚合物复合材料以及MOFs的缺陷和演化等领域取得了一些有影响力的学术成果。

另一位第一作者李鹏浩也是西北大学博士后，师从诺贝尔奖得主J. Fraser Stoddart爵士学习和工作。 2007年至2011年在南开大学化学系本科学习，后分别在波士顿大学和俄勒冈大学获得硕士和博士学位。

2017年8月至今在西北大学从事博士后研究。 主要研究课题为有机多孔材料的合成、拓扑研究与表征。

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