能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)，在能源消耗不斷攀升從而給環(huán)境與社會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題的背景下，節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)今人類(lèi)的共識(shí)?；诙嗫撞牧虾鸵滓夯劫|(zhì)的吸附熱轉(zhuǎn)換過(guò)程（例如吸附制冷和吸附熱泵）可用于有效利用低品質(zhì)熱源和廢熱。一方面，常用的多孔材料活性炭和硅膠存在孔徑不均、工作量低等缺點(diǎn)。另一方面，與氣體吸附儲(chǔ)存在單一的等溫或者等壓條件下工作不同，吸附熱轉(zhuǎn)換在低溫低壓吸附和高溫高壓脫附之間進(jìn)行，其循環(huán)工作量對(duì)吸附等溫線(xiàn)的形狀更敏感。相比于常見(jiàn)的Langmuir型或I型吸附等溫線(xiàn)來(lái)說(shuō)，介孔材料的特征IV型或V型等溫線(xiàn)能夠在相同的溫度壓力區(qū)間內(nèi)更大的工作容量。
多孔配位聚合物（Porous Coordination Polymer, PCP），也稱(chēng)金屬有機(jī)框架（Metal-organic Framework, MOF）具有豐富多樣而且可設(shè)計(jì)剪裁的框架和孔結(jié)構(gòu)。例如，一些由三重對(duì)稱(chēng)無(wú)機(jī)鏈和直線(xiàn)型有機(jī)橋聯(lián)配體構(gòu)成的三維框架具有防止網(wǎng)絡(luò)穿插的結(jié)構(gòu)特征，其蜂窩狀一維孔道可以按需擴(kuò)張。另一種構(gòu)筑具有蜂窩狀一維孔道的三維框架的方式是使用三重對(duì)稱(chēng)無(wú)機(jī)鏈和三重對(duì)稱(chēng)有機(jī)橋聯(lián)配體。根據(jù)幾何原理，這兩種構(gòu)筑方式所得的一維孔道直徑大約是配體橋聯(lián)長(zhǎng)度的兩倍。
吸附式熱轉(zhuǎn)換統(tǒng)的工作原理（左）以及具有IV型等溫線(xiàn)的介孔吸附劑可以提供更大的工作量（右）
近期，我校化學(xué)學(xué)院張杰鵬教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一類(lèi)具有蜂窩狀一維孔道的新型三維框架。由于使用了二次對(duì)稱(chēng)的金屬草酸根鏈和三次對(duì)稱(chēng)的有機(jī)橋聯(lián)配體，其孔道直徑大約是配體橋聯(lián)長(zhǎng)度的四倍。因此，使用三種普通的三角形有機(jī)配體，就合成了孔徑約為2-4 nm的三例新型介孔框架MCF-61、MCF-62和MCF-63，其孔容為1.19-2.36 cm3g-1，BET表面積為2096-2749 m2g-1。以溫室效應(yīng)可忽略的R-134a（1,1,1,2-Tetrafluoroethane）作為吸附質(zhì)時(shí)，這些材料體現(xiàn)出介孔材料的IV型吸附等溫線(xiàn)，而且吸附量突躍的壓力隨孔徑增大而增大。在日常所需的吸附制冷或熱泵以及常見(jiàn)的低溫?zé)嵩礈囟认?，MCF-63可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.19 g g-1或0.38 g cm-3的循環(huán)工作量，遠(yuǎn)高于具有相似孔容和表面積，但孔徑分布不均且具有I型吸附等溫線(xiàn)的多孔碳材料。上述結(jié)果不但為PCP/MOF提供了一種新的框架模型，還展示了介孔材料在吸附熱轉(zhuǎn)換應(yīng)用的潛力。相關(guān)工作發(fā)表Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.201704350）上，并獲Materials Views China報(bào)道。本文第一作者為中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院2016級(jí)碩博連讀生莫宗文。
上述研究獲得“973”計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201704350
