主动控制微孔材料接纳和释放气体分子的研究

It has long been known that some highly adsorbing microporous materials suddenly become inaccessible to guest molecules below certain temperatures. However, application development has been frustrated by an inability to explain these phenomena. Following our very recent breakthrough in elucidating the mechanism of temperature regulated guest admission and release, this project will explore electrical regulation of pore accessibility in conjunction with developing new materials for applications including tunable molecular sieves and controlled-release nanocontainers. The outcomes of this project will generate new knowledge in active manipulation of the admission and release of guest molecules in/out of the micropores and establish new expertise and capabilities that can advance the gas separation and storage technologies. If successful, this project will contribute to the long-term security in low emission energy supplies and benefit China's natural gas industry and boost the hydrogen economy.

某些具有很强吸附能力的微孔材料在一定温度以下会突然失去吸附能力。虽然科学家们对这一现象并不陌生，但是到目前为止对其本质的理解仍比较有限。这限制了人们利用这一特性发展微孔材料新的应用。最近，我们对利用温度调控微孔材料接纳和释放气体分子的机制有了突破性的理解。在此基础上，本项目将结合分子模拟和实验研究，探索利用电场调控微孔材料对气体分子的“可访问性”，并设计、合成和测试新的微孔吸附材料用于可控的分子筛分和气体储存。具体研究内容包括（1）开发可在室温下操作、大容量的储氢材料；（2）探索利用电场作为调控因素来实现快速高效的气体接纳和释放；（3）验证以上受刺激响应的吸附材料在混合气体分离中的表现。本项目将创造控制微孔材料接纳和释放气体分子的新知识和新技术，帮助推进气体分离和储存技术的发展。本项目的成功将促进天然气工业和氢经济的发展，对我国实现长久可靠的能源安全和发展低碳经济具有重要的积极意义。

微孔材料对气体分子的选择性吸附是包括气体分离纯化、储存、催化和检测等一些列重要应用的基石。本项目的研究主要围绕在调控微孔材料对气体分子的可访问性，从而实现可控的选择性吸附和脱附，以达到分离和储存的目的。具体研究工作包括开发合成具有高临界气体准入温度和大孔体积的微孔吸附材料以获得方便的气体吸附（储存）操作温度（室温以上） 和高气体吸附（储存）量；研究和理解利用电场作为刺激因素来调控微孔材料孔的可访问性和吸附性能， 并综合利用这些控制因素（温度和/或电场）来实现快速和高能效的气体分离和储存；通过设计和实施混合气体吸附分离实验，验证受温度调控孔可访问性的吸附材料在实际气体分离应用中的表现。本项目在一些列传统规则多孔材料（包括沸石分子筛和金属有机框架化合物）和非规则多孔材料（包括层状复合金属氢氧化物和纳米硅纤维材料）以及复合材料是上基于调控微孔的可访问性和吸附位点的选择性，展示了一系列气体分离和储存应用，包括CO2捕捉，天然气纯化，NO2去除和N2储存等。本项目创造控制微孔材料接纳和释放气体分子的新知识和新技术将帮助推进气体分离和储存技术的发展。本项目对我 国实现长久可靠的能源安全和发展低碳经济具有重要的积极意义。