化学 第六十六卷第二期 109-116 页
专 题 回 顾
多孔性金属有机配位聚合物的建构 及其储氢性质研究
罗左财 吕光烈*
中央研究院 化学研究所
摘要:以简单,有效,成本低廉的自组装反应所合成的多孔性金属–有机配位聚合物具有很好的氢气储存 潜力,为目前重要而热门的研究课题.本文探讨多孔性金属有机配位聚合物的建构原理,用以认识其立 体孔洞结构;其次分析影响氢气储存效率的因素,列举较前端发展的储氢实例,并提出未来的展望. 关键词:氢气储存,配位聚合物,能源利用,孔洞材料.
一,前 言
化石燃料的需求与日俱增,日益高涨的油价深刻 地影响大众的生活.再者,温室效应显著,地球暖化, 海平面上升与气候变迁也是人类需严肃面对的难题. 是以能源的有效利用和新能源的开发显得迫切而重要
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液化储存是目前最常用的方法,其缺点是容器装置的 重量过大,以及可能需在超过 800 bar 的高压下作储 存.这种加压的过程也会消耗额外巨大的能量,且有 爆炸的危险或有隔热装置的问题,成本较高 4.另外从 液态氢的密度来考虑,在 1 atm 和 20 K 下,液态氢的 密度仅有 70.8 kg/m3,所以,这种传统的储氢方法无法 满足美国能源部所设下 2015 年预计完成的长程研究目 标 3. 利用化学吸附的方法是可以达成此目标的一种选 项.活性金属 (如铂,钯等) 可藉由表面的吸附作用使 氢气进入金属 (或合金) 结构的孔隙当中,并逐渐平衡 形成稳定的固体金属氢化物,其储氢量可以超过 100 kg H2/m3.5 缺点是这类的金属氢化物有较强的化学作用 力,在储氢时会放出高热,而释出氢气时则需额外提 供能量,在约 500 K 的高温下较能顺利进行.这些过 多的能量消耗会造成成本的增加,也造成使用上的不 便,且这类金属的价格比较高,其实用性和经济效益 受到限制.尽管如此,这类储氢材料的研究目前仍受 到相当大的重视,能够降低释放氢气时所需要的温度 是研究上要克服的重点问题 4,5. 利用物理吸附的方法,让氢分子进入多孔物质 (如:沸石,活性碳,奈米碳管等) 的孔洞中,藉著氢 109
中华民国九十七年第六十六卷第二期
,高效率和低污染的燃料电池将更具竞争力,特别是
氢燃料电池排放无污染的水蒸气,既减碳又环保,氢 能源动力车应会成为未来重要的交通工具.配合燃料 电池的普及,无污染,具高热焓值的氢气,预料将成 为重要的能量载体 .然而,氢气密度低,不易压缩, 其储存和输运仍有诸多困难有待解决,因此,发展安 全且高效率的储氢材料是氢燃料电池普及化的关键技 术之一,为目前先进国家的重要能源研究发展项目 1. 美国能源部订出未来储氢系统能源密度的近远期目标 (包含容器和其他搭配装置的重量),作为各国研究团队 的重要参考目标 .在 2010 年为 6.0 wt% 或为 45 kg H2/m ;在 2015 年上调为 9.0 wt% 或为 81 kg H2/m .
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二,储氢材料的发展趋势
储氢的方式有多种 ,利用高压和低温下的钢瓶 化 学
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多孔性储氢材料 分子和多孔性结构本体的分子间作用力来维持吸附的 效果.这类的物质具有低密度,大表面积和稳定的化 学性质,氢气分子常可以自由而可逆地进出结构的孔 洞,增加吸附作用力是增加储氢效果的重要考虑因素. 这类材料的研究也受到相当的重视 . 多孔性金属–有机配位聚合物是最近蓬勃发展的 新型储氢材料 .和其它多孔性材料相比,金属有机 配位聚合物有许多优点:以自组装方法制备,方法简 单,成本较低,孔洞大小和性质可调整,官能基可以 事先设计等.这种经过细心设计和精心研究出来的特 殊孔洞材料,因为结构易修饰,将有很大的机会增加 储存氢气能力,而发展为安全和高效能之储氢材料 . 因此,美国能源部,欧洲国家以及日本,韩国等政府 对这类储氢材料的研究极为重视,均投入相当大量的 经费资助此项研究 1,7.
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罗左财 吕光烈
spacer),用以连接节点 8c.常见的金属阳离子可以从二 配位到八配位不等,配位的型态对晶体结构有相当大 的影响.而阳离子的价数,电子组态也都会影响到最 后晶体化合物的其他各种物理化学性质. 多孔金属–有机配位聚合物结构中,局部的金属 簇结构常用来作为节点,和特定的配子进行连结,如 图一所示,为常见的金属簇连接单元,最终整体晶体 的结构和这些建构单元几何形状的关系极为密切.从 建构的观念来说,采用较大型的配子和较大的金属簇 节点作为建构单元,较可能合成出高孔洞的结构

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