Новости химической науки > Металлоорганический каркас – рекордсмен по хранению газа

Высокопористые материалы, которые разрабатываются в качестве топливных баков для водородных или метановых двигателей будущего могут хранить гораздо большее количество газа, чем предполагалось ранее.

Исследователи из Великобритании и США продемонстрировали, что теоретически максимально возможная площадь внутренней поверхности металлоорганических каркасных структур на один грамм материала на 40% выше, чем было предсказано на основании проведенных ранее исследований. На основании этих теоретических предсказаний исследователи синтезировали два новых металлокаркасных материала, обладающих на настоящий момент наиболее высокой емкостью по хранению газа.

Металлоорганические каркасные структуры [metal-organic frameworks (MOF)] представляют собой координационные полимеры, в которых ионы металлов связаны друг с другом с помощью полидентатных лигандов-линкеров. Такой дизайн позволяет получить материалы с большими порами, открытыми внутренними каналами и большой площадью внутренней поверхности, пригодной для адсорбции молекул, в первую очередь – газов. По словам руководителя исследования, Джозефа Хаппа (Joseph Hupp) до настоящего времени для самых эффективных MOF была зарегистрирована удельная площадь поверхности, равная 6000 м²/г – эта величина является нижним пределом для возможности применения таких систем в качестве топливных баков для машин, в качестве топлива которых может применяться водород или метан.

Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2012, DOI: 10.1021/ja3055639

Хапп замечает, что еще два года назад исследователи приблизились к предельному значению удельной поверхности металлоорганических каркасов, и перспектива их применения в качестве топливных баков невысока. Теоретические расчеты показывали, что что предельный потолок внутренней площади потенциально может быть увеличен лишь до 10000 м²/г.

Хапп с коллегами продемонстрировал, что модификация структуры органических лигандов-линкеров позволит увеличить площадь внутренней поверхности материала. Использованные до настоящего времени линкеры представляли собой цепи, содержащие бензольные кольца, однако молекулы газа могут сорбироваться лишь с одной стороны кольца, что приводит к образованию у классических металлоорганических каркасов «мертвого объема». Было предположено, что замена в линкерах плоских бензольных колец на линейные ацетиленовые фрагменты позволит молекулам газа сорбироваться на линкерах с различных сторон, понижая тем самым мертвый объем.

Высказанное предположение было подтверждено результатами квантово-химических расчетов, которые предсказывали, что замена фенильных линкеров на ацетиленовые даст удельную площадь внутренне поверхности, равную 14600 м²/г. Использовав новые линкеры, исследователи синтезировали два новых металлокаркасных материала с площадью поверхности, превышающей 7000 м²/г – эти материалы бьют ранее поставленные для MOF рекорды.

Деанна Д'Алессандро (Deanna D’Alessandro), специалист по металлоорганическим каркасным структурам из Университета Сиднея (Австралия) подчеркивает, что работа Хаппа должна дать толчок разработке металлоорганических каркасных структур нового поколения, возможно, даже с еще большей площадью поверхности. По его словам, ценность новой работы не только в оптимистичных теоретических прогнозах, но и экспериментальном доказательстве этих прогнозов. Д'Алессандро полагает, что работа Хаппа задает новые стандарты для дизайна и синтеза металлоорганических каркасных структур.

Источник: J. Am. Chem. Soc., 2012, DOI: 10.1021/ja3055639

метки статьи: #квантовая химия, #новые материалы, #химическая технология, #химия поверхности, #химия полимеров, #элементоорганическая химия