多孔金属有机骨架材料储氢性能分子模拟

吴选军 郑 佶 李 江 蔡卫权

(武汉理工大学化学工程学院，武汉430070)

1 引 言

化石能源面临枯竭，可再生替代能源逐渐成为未来能源战略重点，氢能源因来源广泛和清洁性而成为重要替代能源之一.1−3为提高储氢密度和安全性，各种储氢材料应运而生，如金属氢化物、4，5笼状结构水合物、6，7金属有机骨架结构(MOFs)材料、8−10共价有机骨架结构(COFs)材料11，12和多孔芳香骨架结构(PAFs)材料13，14等均被用于储氢性能的测试，其中具有多孔特性和超高比表面积的MOFs材料最具应用潜力.15，16MOFs是通过金属或金属氧化物与有机配体自组装而形成的一种具备规整结构的多孔材料，改变金属或金属氧化物骨架和有机联接配体能够形成一系列具有不同拓扑结构和不同物理化学性质的多孔骨架材料，在气体储存、分离与催化和分子传感等领域具有广阔的应用前景.8−10

近十年来，MOFs材料的储氢性能研究受到广泛关注，Yaghi研究组8−10首先在实验室合成了一系列具有高比表面积的规整结构MOFs材料，通过N2吸附实验表明某些MOFs材料具有非常高的比表面积，如MOF-177和MOF-210的比表面积分别高达4500和6240 m2·g−1，远远超过活性炭和分子筛等传统高比表面积吸附材料.17这些具有超高比表面积的多孔骨架材料表现出良好的储氢性能，如IRMOF-1在78 K下的储氢量达到4.5%(w)，MOF-177在77 K和7.0 MPa下的储氢量更高达7.5%(w).16，17

但研究发现，MOFs材料的储氢量并不十分严格地随着其比表面积的增大而增加，其自由孔体积以及吸附剂分子与H2分子之间的相互作用等因素对其……