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基于MOF的气体存储与分离研究

第一章：引言

随着人们对环保意识的日益增强，对清洁能源的需求也越来越

迫切。氢燃料电池是一种绿色、清洁的能源，它可以解决化石燃

料的短缺问题，并且无污染。然而，由于氢气分子的小密度以及

与其他分子的相互作用性较弱这些特性，氢气的储存和分离成为

了阻碍氢能使用的主要难题。

传统的气体储存和分离技术主要基于物理吸附、化学吸附和渗

透等基础上。其中，物理吸附能够有效地存储和分离气体，但是

其气体质量比低和催化剂稳定性问题限制了它的应用。因此，在

氢气储存和分离方面，金属有机骨架（MOF）的发展是解决当前

问题的热点之一。MOF由有机配体和金属离子构成的晶体多孔材

料，其微米级的细孔、较高的孔隙度和特殊的空间结构使其成为

气体存储和分离的一种先进技术。

本文旨在综述基于MOF的气体存储与分离研究的进展，以期

为MOF在气体存储和分离领域的应用提供参考。

第二章：基于MOF的气体存储研究

2.1MOF的性能以及气体存储研究

MOF是以金属离子为节点，有机配体为连通剂构成的多孔材料。

其尺寸、孔径和孔隙度可根据实际需求精确调控，因此MOF在气

体存储方面具有广泛应用前景。研究表明，MOF的微米级结构和

二级空间结构能够影响其对气体分子的吸附和释放，因此，MOF

的物理化学性质、孔隙结构和内部构型等都成为制备高效气体存

储和分离材料的有效技术手段。

2.2基于MOF的氢气储存研究

氢气在常压下的密度很小，因此其储存和运输是氢能利用中的

瓶颈问题。实验研究表明，MOF作为高效的氢储存材料能够提高

氢气的储存密度和释放能力。目前研究主要集中在提高氢气的存

储密度、增大储氢容器的热稳定性和强度等方面，以制备出高效

的氢储存材料。

在提高氢气存储密度方面，研究人员通过调整MOF的孔隙结

构、改变多孔度等技术手段提高其储氢性能。例如，

Schlichtenmayer等人研究了NU-1100、NU-1250等MOF的水合氢

气负载，发现NU-1250在温度为77K，氢气压强为50bar时，质

量负载密度可达到11.5wt%。而COF-102的氢气储存容量也可达

到12wt%，其超常规氢储存性质使其成为一种潜在的高效储氢材

料。

2.3基于MOF的其他气体储存研究

除了氢气外，MOF还具有储存其他气体的潜力。比如，甲烷是

一种广泛应用的工业气体，其储存密度的提高是促进甲烷利用的

关键。研究表明，MOF能够作为高效储存甲烷的材料，例如，具

有阳离子修饰的UiO-66材料的甲烷质量负载密度可达到12wt%，

比传统的甲烷储存材料高出20%。

然而，MOF在存储其他气体时也面临一些困难，如甲烷分子和

氢气有些相似，但相互对应的吸附能力却不同，不能简单使用同

一种MOF。因此，研究人员需要不断地寻找适合储存不同气体的

MOF材料。

第三章：基于MOF的气体分离研究

气体分离技术是向氢能应用中的气体流动性问题提供解决方案

的关键。传统的气体分离技术主要基于压缩和冷凝分离的原理，

但这些技术常常需要高能耗和低效率。因此，随着对环保意识的

提高，基于MOF的气体分离技术成为了一个新的研究热点。

3.1基于MOF的氢气分离研究

MOF在氢气分离方面的研究主要集中在提高其分离因子和分离

选择性。目前，研究人员已经开发出一些可以高效地分离氢气和

其他气体的MOF材料，例如，在温度为77K且压强为50bar的条

件下，MOF-5的氢气质储量可以达到4.5wt%，同时其对氮气的吸

附能力非常低。此外，拥有多个硫醇根基团的MOF材料能够在分

离CO2和H2时表现出高选择性和分离能力。这些研究为氢气分

离材料和技术的开发提供了新的思路。

3.2基于MOF的其他气体分离研究

随着MOF在氢气分离方面的成功应用，研究人员开始探索

MOF在其他气体分离方面的应用。例如，甲烷深度脱水脱硫用的

天然气净化已经取得了重大的进展。在此过程中，MOF作为一种

多孔材料被发现可以作为气体分离膜在天然气净化中应用。此外，

MOF在二氧化碳分离方面也具有很大应用潜力。

第四章：发展趋势和展望

MOF具有孔隙度大、比表面积高、可调控性强、结构新颖等特

点，为氢气存储和分离等领域带来了巨大的进展。然而，目