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高性能儲氫有機超分子晶體
港大研發
美
美國能源部的政策為例：氫儲存系統至少應儲存其質量的 6.5% 氫氣（質量儲存容量），每公升材料至少能儲存 50 克以上的氫（體積儲存容量），這些標準可確保汽車不用頻繁加氫，保持合理行駛距離。
（上圖左起）香港大學化學系研究助理教授張瑞華博士、講座教授 Fraser Stoddart 教授、研究助理教授唐淳博士
氫能應用的一個挑戰是，氫氣的低體積密度導致儲存和運輸時佔用大量空間。為了解決這一問題，當前的氫氣存儲，通常是將氫壓縮至 700 個大氣壓，但這種方式成本高昂且存在安全隱患。港大化學系講座教授 Fraser STODDART 教授及團隊，通過超分子晶體的創新「互穿結構」，實現了一種安全、高效、達商業化標準的氫氣儲存新方法。研究成果已刊於《自然－化學》。
研究背景：開發多孔吸附材料，實現高容量氫氣儲存
為了實現安全的氫儲存，科學界開發了多孔吸附材料，如金屬有機框架（MOFs）、共價有機框架（COFs）和多孔有機聚合物（POPs），這些材料的共同特點是擁有多孔結構，能有效捕捉和儲存氫氣。此類材料有望在較低壓力下（如 100 個大氣壓）實現高容量的氫氣儲存，但目前，大多數材料無法同時滿足質量和體積儲存容量的需求。
從工業的角度來看，在氫儲存問題上，體積容量比質量容量更為重要，原因是車輛中的空間有限。以美國能源部的政策為例：氫儲存系統至少應儲存其質量的 6.5% 氫氣（質量儲存容量），每公升材料至少能儲存 50 克以上的氫（體積儲存容量），這些標準可確保汽車不用頻繁加氫，保持合理行駛距離。
同時具有高體積容量、高質量容量的氫吸附劑至關重要。要實現這一點，方法是在同一材料中平衡高體積和質量表面積。
有機超分子晶體是一種由有機分子透過非共價作用（noncovalent interaction）組裝而成的晶體材料，因其孔徑調節性和易回收性而成為研究重點，被視為一種有潛力的解決方案。然而，質量和體積容量平衡、且結構穩定的超分子晶體的設計，仍然是極具挑戰性的工作。一種被稱為「互穿」的現象涉及多孔材料中的框架結構的機械鎖定，通常可以提高材料的穩定性。然而，互穿往往會阻擋可接觸的表面而減少材料的表面積，降低材料的多孔性，不適合用於氫儲存。因此，材料設計和合成時通常會努力減少或避免互穿現象。
港大研發的「新互穿策略」
為了發掘超分子晶體在氫氣儲存中的潛力，港大化學系講座教授 Fraser STODDART 教授帶領的研究團隊，包括研究助理教授唐淳博士和張瑞華博士，與美國西北大學化學和生物工程系的 Randall SNURR 教授合作，開發了一種名為「點接觸互穿策略」的創新方法。
傳統的 [π···π] 堆疊涉及很大的表面積重疊，會造成大量的表面積損失。研究團隊的創新方法是利用氫鍵，其橫切面可被視為一個「點」，以引導超分子晶體中的互穿。基於這種策略，研究人員成功創建了一個具有七重互穿結構的框架，將互穿引起的表面積損失降至最低，並形成特定大小的孔徑（~1.2–1.9 納米），以實現高效氫氣儲存。
研究團隊最終成功合成了一種超分子晶體，該晶體的單位質量表面積為 3,526 平方米／克，單位體積表面積為 1,855 平方米／立方厘米。這種超分子晶體是分子晶體中歷來平衡性最佳的材料之一，並且具有極高的穩定性。
此外，這種超分子晶體在壓力和溫度擺動條件下（77 K/100 bar → 160 K/5 bar）還實現了優異的材料級單位體積容量（53.7 克／公升）和高單位質量容量（重量 9.3%）的氫氣儲存。該低溫條件下的材料性能同時超越了美國能源部設定的終極系統級目標 — 50 克／公升、重量 6.5%。
利用氫鍵導向點接觸互穿策略，使超分子晶體同時兼具高單位體積和高單位重量的氫儲存能力
這項研究表明，有機超分子晶體在車載氫氣儲存方面具有很大的潛力，並突顯了「導向性互穿策略」在堅固多孔材料的設計方面的應用前景。
研究團隊
這項研究由港大化學系講座教授 Fraser Stoddart 教授領導，研究助理教授唐淳博士、張瑞華博士，以及美國西北大學化學和生物工程系的 Randall Snurr 教授及其團隊合作完成。來自 Stoddart 團隊的研究助理教授張瑞華博士主導了高度互穿的超分子晶體的設計和合成工作，也是論文第一作者。其他來自港大的研究人員，包括韓含博士、吳廣成博士、吳勇博士和陳瀟楊教授。
來源：香港大學
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高性能儲氫有機超分子晶體
