储氢材料简介.ppt

三、储氢材料的研发 MOFs的设计 MOFs 结点（网络结构中的节点） 联接桥（联接网络结构结点间的化学键或包含多个化学键的有机官能团) 金属离子 配体 多齿配体 单齿配体 过渡金属离子 稀土金属离子 三、储氢材料的研发 MOFs的分类 目前，MOFs 的合成主要采用几种配体：含氮杂环配体、含羧基配体、含氮杂环与羧酸混合配体、两种羧酸混合配体等。最常用的是前两种，下面我们将分别介绍。 1、含羧基配体的MOFs Yaghi 用锌盐与对苯二甲酸（BDC）反应得到了立方结构的三维多孔聚合物[Zn4O（BDC）3]（MOF- 5）（图1（a）），球体代表形成的孔洞，其直径为1.85nm，比表面积为2500~3000 m2·g- 1。此结构具有相当好的热稳定性（400℃以下），吸附实验结果表明, 多孔材料MOF- 5 在78 K 和0.8 × 105 Pa 压力下能吸收4.5（wt）%（质量百分数）的H2，相当于每个结构单元吸收17.2 个H2 分子; 而在室温和2 × 106 Pa压力下, 可吸收1.0（wt）%的H2 且并未达到饱和，表 明该材料在储氢方面还具有很大的潜力。 （a）MOF- 5 三、储氢材料的研发 在这一结构中，占据立方体顶点的不是单个金属离子，而是由4 个正四面体ZnO4 组成的［Zn4O（CO2）6］（图1（b））簇单元（SBUs），这些簇单元由对苯二甲酸根桥联起来形成三维结构的正立方体。在MOF- 5 的基础上通过改变芳香羧酸桥联配体的长度和功能基团，Yaghi 等合成了一系列与MOF- 5 具有相同拓扑结构的16 种MOFs 骨架（IRMOF-n，n =1~16），它们具有比表面积高和热稳定性好的性能。 （b）[Zn4O（CO2）6] 三、储氢材料的研发 [Zn4O（BTB）2]（MOF- 177）（图1（c））是用八面体的[Zn4O（CO2）6]簇单元作为6 连接结点和BTB（H3BTB = 1,3,5- 三（4- 羧基苯）苯甲酸）搭建的。它的比表面积约为4500 m2·g- 1，是目前报道的最轻的晶体材料（密度仅为0.21 g·cm- 3），该材料1.01×103Pa 下对H2 的吸附量为12.5 mg·g- 1。 （c）MOF- 177 （d）UMCM- 1 Yaghi 以MOF- 5 和MOF- 177 为SBUs 成功合成了UMCM- 1（图1（d）），它是一种罕见的既有微孔又有介孔结构的材料，是迄今为止比表面积最大的多孔材料（约为6500 m2·g- 1）。 三、储氢材料的研发 2、含氮杂环类配体 含氮杂环类配位聚合物（MOFs）具有光、电和磁等性质，这类MOFs 是含氮杂环类配体与金属离子通过配位键、氢键、π-π 堆积等作用组装而成。能用于合成多孔MOFs 的含氮杂环类配体大部分是吡啶及其衍生物。 （a）单层结构图 （b）相邻两层几何关系图 三、储氢材料的研发 MOFs的应用 气体 储存 金属- 有机骨架配合物由于空洞大小和体积可调控且具有比表面积大，热稳定性等特点已经成为多孔材料研究的一个热点。 催化 MOFs 作为催化剂，可以用于各类反应，如氧化、开环、环氧化、C- C 的形成、加成（如羰基化、酯化、烷氧基化）、消去（如去羰基化、脱水）、加氢、脱氢、异构化、C- C 的断裂和光催化等方面。 应用 四、应用与总结 1、制取储运氢气的容器 2、制取高纯度氢气和回收氢 一般工业用氢气中含有不同比例的N2、O2、CO2等杂质。利用储氢合金吸收氢的特性，再把氢气释放出来，使得氢气的纯度高达99.999 9％以上。这个过程能量消耗不多，但达到了高纯化的作用。其中TiMn1.5和稀土储氢合金的效果最好，并且在仪器、电子、化工等行业上得到了广泛的应用。 应 用 四、应用与总结 3、氢能交通工具 用储氧合金来制作飞机和汽车氢燃料发动机，虽然处于研究、试验阶段。但前景看好。氢能交通工具具有高的热效率，对环境无污染的优点。氢气是价廉又安全方便的二次能量。国外对氢燃料汽车进行了试验，用200kg的TiFe合金储氢，共行驶了130 km。目前存在的最大困难是储氧材料重量要比油箱重量大得多，影响车辆的速度。 氢的同位素氘在原子能工业中具有特殊的作用，可以制取重水(D2O)，作为核反应堆里的慢化剂和冷却剂。而且还是受控核聚变时的聚变原料。当核动力装詈中发生了氢、氘、氚的泄漏现象，将是十分危险之事，人根本无法进入现场。所以用储氢合金来吸收、去除泄漏的氢、氘、氚是一个理想的方法，可以确保安全。储氢材料还可以用来对氢、氘、氚进行分离，工艺简单，能耗少、效果好。 4、核反应堆中的使用 四、应用与