柔性多孔材料的制备及其甲烷储存应用研究

Along with drying up of fossil-based fuel, natural gas, methane in major, has played more and more important role on our daily life. As methane exist as gas state under ambient condition, energy density is very low. Therefore, transport of methane always required under very high storage pressure (200 bar, natural gas cylinder) or very low storage temperature (-162 ℃, liquid natural gas). However, such storage manners always generate massive energy cost and safety issue. Because of this issue, it is very important to discover new efficient storage method under relatively lower pressure and ambient temperature. Herein we envision that applying weak physisorption interaction and advanced flexible material with high porosity may achieve the efficient storage with high energy density under ambient condition and limited space, which also can contribute to future natural gas storage and related application study.

随着化石类燃料的逐渐枯竭，以甲烷为主的天然气已经在人类的日常生活中发挥着越来越重要的作用。由于甲烷在室温常压下为气态，能量密度非常低。因此在常规非管道运输天然气时，需要非常高的储存压力（200个大气压，天然气钢瓶）或者非常低的储存温度（-162度，液态天然气）。然而，这样的天然气储存和运输方式带来了巨大的能耗和安全隐患。基于此，如何能够在较低压力和室温下实现有效地甲烷高密度堆积储存就显得非常重要。本研究希望利用弱的物理吸附作用和先进的柔性多孔材料（区别于常规刚性多孔材料）来实现甲烷在较温和物理条件和有限单位体积下的高密度储存，以期为未来的天然气高效存储及应用研究作出贡献。

多孔配位聚合物材料作为一类新型的气体储存和分离材料，其最重要的结构特点在于，易修饰的孔表面/化学和可调控的孔径，赋予了多孔配位聚合物在主客体作用调控具备巨大的潜能。理论上来讲，我们能够根据目标任务需求，设计合成具有特定化学官能团修饰的孔表面；同样也可以通过对结构基元的尺寸和拓扑结构调控，实现对孔径的精细调控来筛分具有不同分子尺寸的客体。在项目执行期间，主要开展了对于多孔材料的精准设计制备，并系统地研究了这些多孔材料对CH4和C2气体的储存和分离性能。同时，利用原位表征或分子模拟手段，详细论证了小分子客体在纳米孔道内的作用规律。基于该项目的支持，共发表10余项研究成果在国际权威SCI期刊如Science, JACS, Nat. Commun.,等。这些成果的发表将为未来小分子吸附材料的定制化设计提供重要理论指导。