廉价的铝制分子“海绵”可用作低压储气罐
氢似乎是完美的燃料。按重量计算，它的能量比任何其他燃料都多。它可以由水制成，这意味着原则上供应几乎是无限的。当燃烧或通过燃料电池运行时，它会产生没有任何碳污染的能量。但氢气体积巨大，储存起来不切实际。压缩它有帮助，但成本昂贵，并且本质上会将储氢罐变成高压炸药。
现在，由有机化合物和廉价铝制成的分子海绵有望提供一种实用的解决方案，在低压下容纳大量氢气。美国化学会杂志 (JACS) 上周接受的一篇论文描述了它是一系列有前景的金属有机框架 (MOF) 中的最新成果，表明该材料可能接近大众市场应用，作为工业运营备用电源的燃料库。
“有史以来第一次，我们的吸附剂在实际应用中可能比压缩气体更便宜，”劳伦斯伯克利国家实验室的化学工程师 Hanna Breunig 说，他帮助分析了使用铝 MOF 的经济性。对于未参与这项新工作的西北大学化学家奥马尔·法哈 (Omar Farha) 来说，这表明“这个领域正在以令人难以置信的速度发展。”
氢作为一种工业化学品已被广泛使用，但储存一直是一个长期存在的问题。迄今为止的主要解决方案是将氢气压缩至高达 700 bar，约为户外烧烤丙烷罐压力的 50 倍。但高压罐成本高昂，并且需要消耗能源的压缩机来填充它们。即便如此，一升氢气压缩至 700 bar 所储存的能量还不到一升汽油的五分之一。
一些研究人员正在探索在盐层形成的地下洞穴中储存氢气，但这种地质情况很少见，地下微生物可能会吃掉氢气。金属氢化物或氨等化合物可以化学储存氢。但这些化合物必须发生反应才能释放氢，并且给材料充电可能很困难。
MOF 现在正在作为一种替代方案出现。这些多孔固体看起来就像分子修补玩具。金属原子充当中心，通过有机连接体（含碳分子链）连接在一起。其结果是形成一个带有通道和空隙的化学笼，可以捕获在温和压力下注入的气体。当压力升高时，氢气流回。
由铝制成的金属有机框架可以在空隙中储存氢（黄色）。克雷格·布朗/国家标准与技术研究所
2014年，加州大学伯克利分校（UC）的化学家杰弗里·朗（Jeffrey Long）和他的同事报道了一种镍基MOF，它可以储存创纪录的氢量：每立方米23公斤，大约压力罐是高储氢量的一半，但没有增加压力的危险和费用。
MOF 不仅需要吸收大量的氢，而且还需要吸收大量的氢。它还必须能够轻松地释放它。理想的结合强度（以吸收热测量）为每摩尔氢 15 至 25 千焦耳 (kJ/mol)。低于这个范围，抓地力就太松了，氢的自然能量足以让它从笼子里挣脱出来。高于该范围，抓地力太紧，必须加热系统才能将氢气排出。 “这就像一个适居带（金发姑娘区）”美国国家标准与技术研究所的化学家海登·埃文斯说。
Long 解释说，镍基 MOF 的结合能接近理想，为 14 kJ/mol，因为镍原子通过弱静电力吸引弱极性氢分子。通用电气的子公司贝克休斯正在探索使用这种材料来储存从工业炉中捕获的氢气和二氧化碳。
2021 年，Long 和同事们在适居带（金发姑娘区）的中心推出了一种基于钒的 MOF，它能够以 21 kJ/mol 更紧密地捕获氢分子。但这些 MOF 储存的氢比它们的镍基同类材料少，因为只有一部分钒原子具有适当数量的正电荷来吸引氢。
铝的竞争正在加剧，铝的成本仅是镍的 1/10 多一点，是钒的 1/13 多一点。 2022 年，加州大学圣巴巴拉分校化学家 Anthony Cheetham 和他的同事报道了一种看起来有望捕获二氧化碳的铝基 MOF，从而奠定了基础。与更传统的液态碳捕获化合物相比，铝 MOF 释放捕获的碳所需的能量更少，而且其孔径小，自然排除了大气的主要成分氮气。
现在，在 JACS 论文中，Cheetham、Evans 及其同事测试了铝 MOF 的储氢能力。它储存的气体量仅为镍 MOF 的三分之二。由于其结合能仅为 8.6 kJ/mol，必须将其冷却至约 –100°C 才能储存最大量的氢。尽管如此，Cheetham 表示，原材料非常便宜，他预计 MOF 每公斤的成本仅为 2 美元。这将轻松超过由镍和其他更昂贵金属制成的 MOF 生产成本每公斤 10 美元的社区目标。美国能源部能源效率和可再生能源办公室氢存储主管泽里克·赫尔维 (Zeric Hulvey) 表示：“很难想象任何 MOF 会像这个一样便宜。”
有限的存储容量意味着新的 MOF 不太可能用于在燃料电池汽车中存储氢气，因为体积和重量是燃料电池汽车的关键限制。然而，低成本、温和的工作压力和可管理的冷却要求的结合已经指向了实际用途，赫尔维说：储存氢气作为备用电源，可以取代数据中心等工业运营中的柴油发电机。
Cheetham 表示，他和他的团队希望证明他们可以大量生产铝 MOF，超出他们已经可以合成的公斤数。他们还致力于调整 MOF 的结构，在其中添加少量的铁和其他金属，看看是否可以进一步提高其储氢能力。奇塔姆说：“有很多化学成分值得探索。”
DOI：10.1126/science.adl0878