2008-09-29

新研究可能導致實用的 MOFs

New research could lead to practical uses for metal-organic frameworks
http://www.physorg.com/news141566425.html

September 25, 2008

(PhysOrg.com) -- 美國能源部 Argonne 國家實驗室正對金屬--有機架構(metal-organic frameworks,MOFs,金屬--有機配位子結構、金屬--有機配位聚合物)施壓。

在 MOF 材料中,金屬離子被有機分子連結以形成支架般的結構,類似於分子的 Tinker toy(一種長桿形的樂高積木)。構成這種框架結構的支柱無法向樂高積木那樣有效率的填滿空間,在結構中留下了額外的空間,那能夠容納客方(guest)分子。

作用如同分子尺度海綿,這些 MOFs 有廣泛的潛力用於過濾、捕捉或偵測分子,例如二氧化碳或為燃料電池儲存氫。

"藉由在各種壓力下檢查這種架構," 科學家 Karena Chapman 說,"我們發現 MOFs 在高壓下迅速壓縮。"

因為 MOF 架構無法有效地填塞空間,這些結構甚至對相對適度的施壓都格外敏感。對於任何二氧化碳或氫氣儲存應用而言,MOF 材料(那通常形成細微粒子或小結晶體)將需要被壓縮成丸狀以最佳化其體積容量(volume capacity,一種重要的目標參數)。這將使該結構受到達數 GPa 的壓力(譯註:一大氣壓約 10.1 萬帕)。

雖然幾 GPa 的壓力對於稠密的、基於氧的材料有極微的衝擊,但是對 MOFs 而言,其結構或是選擇性的氣體儲存特性也許會呈現出不可逆的扭曲。了解 MOF 材料在壓力下有何表現對於在實驗室外談論 MOF 技術是重要的一步。

Chapman 以及 Argonne 科學家 Gregory Halder 與 Peter Chupas,在該實驗室的 APS(先進光子源) 合成一種銅--苯三羧酸根(Copper-Benzenetricarboxylate)MOF,並使此架構在有、無壓力傳送液體(pressure-transmitting fluids)的情況下於鑽石砧(diamond anvil cell)內受到各種壓力。

來自該實驗室 APS 的 X 光繞射資料證明了,從硬質域(hard regime,在此壓力傳送液體滲入該架構的空腔)到軟質域(soft regime,在此 MOF 一致地壓縮)的轉變。

這種非比尋常的行為是因壓力傳送液體內小分子的出現所致,那能滲入此架構的空腔中。這導致過飽和狀態,那一直到閾值壓力之前都能抵消外部壓力,然後 MOF 迅速壓縮,且不允許任何額外的客方分子進入空洞內。

"MOFs 在現實中有廣泛且多樣的潛在應用," Chapman 說。"藉由探索高壓現象,我們更進一步了解這些先進的應用。"

他們的研究出現在 Journal of the American Chemical Society 最近一期中。

※ 相關報導:

* Guest-Dependent High Pressure Phenomena in a Nanoporous Metal-Organic Framework Material
http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/jacsat/2008/130/i32/abs/ja804079z.html

Karena W. Chapman, Gregory J. Halder, and Peter J. Chupas
J. Am. Chem. Soc., 130 (32), 10524–10526, 2008.
doi: 10.1021/ja804079z
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1 則留言:

fsj 提到...

吞電力丸 燃料電池發光

【經濟日報╱記者李珣瑛/新竹報導】 2008.12.10

工研院能環所昨(9)天發表新研發成功的「電力丸」,讓日後燃料電池使用的氫氣,不再是大體積且危險的高壓氫氣瓶,而是能化身為一公克的「化學儲氫材料」。日後,只要用三克電力丸,就能透過燃料電池輕鬆充滿手機用電。

全球積極開發新世代能源,來取代傳統的化石燃料。其中,以氫氣為燃料來源的「燃料電池」,因為有著低汙染與高效率的優點,被視為有機會成為未來最重要的電能取得方式。

針對此趨勢,工研院能環所積極解決燃料電池所需「氫」的儲存、使用問題。能環所主任谷傑人表示,經過一年的研發,並驗證成功可攜式化學儲氫技術。未來,以1公克為單位的化學儲氫材料,又名「電力丸」,可以在便利商店販售。讓擁有可攜式燃料電池設備者,只需將電力丸放入加水的罐中,輕鬆就能取得電力。

谷傑人指出,電力丸的主要成份是硼氫化鈉,能環所把氣態的氫,製成固態的氫燃料。只要搭配能環所獨特配方的觸媒,投入裝水的容器中,就可以成為燃料電池的氫氣來源,讓發電更輕便。

所謂「燃料電池(質子交換膜燃料電池)」,其實就是一台發電機,用氫做為燃料轉換為電能再利用,其低汙染、且高效率的發電效率,讓全球都競相投入燃料電池的研發。

谷傑人分析指出,相對於石化燃料的缺點,使用氫氣的燃料電池,在發電過程中並不會產生汙染、廢熱低,符合分散式電力的概念,可就近在人群聚集的地方生產、直接使用。再加上氫的活性高,只要少量或小型的系統,就能產生高電量,生產效率相當高,並且氫氣的來源也很多元,取得容易,因此燃料電池能開發的趨勢及潛力深受矚目。

上述優勢,讓燃料電池的體積,不必像傳統發電廠及設備般龐大,可以廣泛應用在一般家用或定置型的發電設備,或是攜帶性高的交通工具與3C用品等方面。例如:以燃料電池取代汽車所使用的引擎,就不會再排放二氧化碳,亦或是功能愈多、耗電愈大的筆記型電腦(NB),也可改用燃料電池,供電量與時間都可以大幅增加。