水素は、排出ガスがゼロで重量エネルギー密度が高いため、未来の燃料とみなされます。つまり、ガソリンと比較して単位質量当たりのエネルギーがより多く蓄えられることを意味します。ただし、体積密度が低いため、多くのスペースが必要となり、効率的な保管と輸送に課題が生じます。

これらの欠陥に対処するには、水素をタンク内で 700 バールの非常に高い圧力まで圧縮する必要があります。この状況は単に発生するだけでなく、高いコストしかし、安全性への懸念も生じます。

水素を燃料とする燃料電池自動車（FCV）の普及に向けて、米国エネルギー省（DOE）は、水素貯蔵システム: 貯蔵物質の重量の 6.5% が水素である必要があり (重量貯蔵容量は 6.5 wt%)、貯蔵物質 1 リットルは水素 50 グラムを保持する必要があります (体積貯蔵容量は 50 g L)。^–1）。これらの目標により、車両が過剰な燃料を消費せずに適切な距離を走行できることが保証されます。

これらの目標を達成するための有望な戦略の 1 つは、次のような多孔質吸着材料を開発することです。有機金属フレームワーク(MOF)、共有結合性有機フレームワーク (COF)、および多孔質有機ポリマー (POP)。これらの材料はすべて、水素ガスを効果的に捕捉して貯蔵できる多孔質構造を備えているという共通の特徴を持っています。このアプローチは、100 bar 以内などの低圧での水素貯蔵を促進することも目的としています。

DOE の重量目標を超える進歩にもかかわらず、多くの吸着材は依然として体積容量のニーズを満たすのに苦労しており、体積目標と重量目標の両方のバランスをとることができるものはほとんどありません。産業上の観点から見ると、車両の貯蔵タンクにはスペースが限られているため、重量容量よりも体積容量の方が重要です。

水素貯蔵システムの容量は、FCV の航続距離に直接影響します。したがって、優れた重量容量を維持しながら体積容量を最大化する水素吸着剤の開発が不可欠です。この目標を達成するには、同じ材料内で高い体積表面積と重量表面積のバランスを取る必要があります。

研究者らは水素貯蔵のためのさまざまな材料を研究しており、非共有結合相互作用を通じて有機分子から集合する有機超分子結晶は、リサイクル可能であることから有望な選択肢となっている。しかし、安定性を維持しながら、バランスの取れた高い重量表面積と体積表面積を備えた超分子結晶を設計するのは難しいため、その可能性はほとんど開発されていないままです。

カテネーションとして知られる現象は、多孔質材料内の機械的に絡み合ったネットワークに関係し、通常、安定性を高めます。ただし、カテネーションは多くの場合、表面積アクセス可能な表面をブロックし、材料の多孔性を低下させ、一般に水素貯蔵には望ましくありません。通常、それを最小限に抑えるか回避するための努力が行われます。

水素貯蔵のための超分子結晶の可能性を解き放つために、フレイザー・ストッダート教授率いる共同研究チームと、香港大学（HKU）化学科の研究助教授、チュン・タン博士、ルイファ・チャン博士が共同研究を行いました。と米国ノースウェスタン大学化学生物工学部のランドール・スナー教授は、制御された「点接触カテネーション戦略」を実証した。

研究というのは、出版された日記で自然化学。

この革新的なアプローチでは、水素結合、その断面は、大きな「表面」の重なりを伴う従来の [ÏÂ・Â・Â・Ï] スタッキングではなく、「点」として見ることができ、超分子において正確な方法でカチネーションを誘導します。結晶。この戦略に基づいて、研究者は、相互貫入による表面損失を最小限に抑え、最適な水素貯蔵のために細孔直径 (約 1.2 ～ 1.9 nm) を調整する、よく組織されたフレームワークを作成します。

その結果、研究チームは史上最高の重量（3,526m）をもつ超分子結晶を取得しました。2g^–1）とバランスの取れた容積（1,855 m²cm^–3）高い安定性に加えて、報告されているすべての（超）分子結晶の中で表面積が大きく、（i）優れた材料レベルの体積容量（53.7 g L）をもたらします。^–1)、(ii) 実際の圧力と温度の変動条件 (77 K/100 bar ～ 160 K/5 bar) での水素貯蔵のための高い重量容量 (9.3 wt%) のバランス、および (iii) DOE の究極のシステムを超える -^{目標レベル（50g・L）–1}極低温ではあるが、体積測定および重量測定の両方で6.5 wt%）。^{革新的なデザイン}高い安定性を維持しながら、高い重量表面積と体積表面積のバランスをとった有機超分子結晶を設計することは重大な課題であり、多くの用途での可能性を妨げてきました。

しかし、研究チームは、水素結合を伴う点接触相互作用を利用してカテネーション時の表面損失を最小限に抑える点接触カテネーション戦略を提案した。

この設計戦略により、これらの超分子結晶は、バランスの取れた高い体積表面積と重量表面積、高い安定性、そして水素貯蔵に理想的な細孔サイズを備えています。

この研究は、車載水素貯蔵の有望な候補としての有機超分子結晶の可能性を明らかにし、用途向けの堅牢な多孔質材料の設計における方向性カテネーション戦略の可能性を強調します。

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