先见未来大会 | 气体存储的新容器：多孔人工晶体

大家好，我是一刻讲者章跃标，来自上海科技大学，我是一名晶体化学工作者，我们一直在探索用分子砖块来构筑高稳定性、高比表面积的人工多孔晶体。

近年来，天然气的开采技术突飞猛进，带来了能源革命，但作为汽车动力燃料，甲烷或者说天然气其实具有很好的低震爆、高热值、少碳排、易净化等特点。但是它和氢气一样，都是难压缩、难液化的气体。虽然它的重量能量密度比锂电池要高很多，但是它的体积工作容量只有传统的汽油的千分之一。

所以，如何利用新型的多孔吸附材料，我们叫甲烷吸附剂，来提升它在气瓶里面的存储密度，成为高密度天然气汽车的一个技术的瓶颈。那么，我们回到科学，如何去创造多孔材料？有一句话叫上帝厌恶真空，所以告诉我们制造多孔材料并非容易的事情。德谟克利特提出来说，世界是由原子和真空或者说孔隙组成，但是他所说的这些孔隙并不是气体分子可以获得的。所以，我们在定义一个多孔材料的时候，我们的黄金标准是能够做气体吸附曲线，这样的话我们就验证它是一个多孔材料。

那造孔不易，造多孔的晶体更加不易。这是因为晶体倾向于简单组成，以及致密堆积。我们最熟悉的晶体莫过于钻石。“钻石恒久远，一颗永流传”。那是因为钻石是我们目前所知的原子堆积密度最高的晶体。在一个立方纳米的空间里面，它堆满了176个碳原子，所以它有最高的密度。

那自然界有没有多孔的晶体呢？有！那就是我们熟知的沸石。沸石会出现在我们日常生活的洗衣粉、净水器等等，它也可以利用在工业的催化裂解方面的应用，是有很高价值的一个材料。但是，它的原子堆积密度其实也只是48一个原子每立方纳米。所以，真正多孔人工晶体的突破来自于金属-有机框架，它使用的设计原理是高对称性晶体网络，容易在合成里面形成。

所以只要对周期性的网络进行识别分析，寻找合适的几何的分子砌块，就可以构筑稳定、高比表面积的多孔材料。

因此，我们实验室首先对采用了多机元组装的策略，采用这个牢固的配体来合成了一系列具有介孔的材料，这些材料都是超过5000平方米每克的超高比表面积。我们发现这些已知的MOF材料，它表现出比较好的甲烷存储能力，但是它结构多样性不够，所以它的吸附行为都很类似，难以进一步优化以提升。那么，我们就利用了中国哲学“刚柔并济”的这种理念，引入了柔性，你可以看到三角形的配体是带了一个氨基的稍微柔性一点的配体。

同时，我们引入了刚性的线性配体，这样的话我们就大大的提升了这样的一个体系的结构多样性。有了新材料，也有了新挑战，怎么样去活化这样的样品？幸好我们的同学不仅有开拓的精神，还有拼搏的勇气，她通过一次又一次的尝试，终于获得了这样的一个超高的比表面积，每一个材料的比表面积都在5000平方米每克以上，而且可以准确地获得它的孔精细的孔的结构。

那通过这个前期的评估实验，我们发现了其中的一例ST2具有很好的甲烷存储性能，比空罐要高50%的气体存储量，也是成为新的甲烷存储的一个世界纪录，打破了之前由碳材料保持的工作容量。