수소는 탄소 배출이 전혀 없고 중량 에너지 밀도가 높아 휘발유에 비해 질량 단위당 더 많은 에너지를 저장하므로 종종 미래의 연료로 간주됩니다.그러나 부피 밀도가 낮다는 것은 많은 양의 공간을 차지한다는 것을 의미하며 효율적인 보관 및 운송에 어려움을 안겨줍니다.

이러한 결함을 해결하려면 수소를 탱크 내에서 매우 높은 700bar 압력으로 압축해야 합니다.이런 상황이 발생할 뿐만 아니라높은 비용하지만 안전 문제도 제기됩니다.

미국 에너지부(DOE)는 수소 연료전지 자동차(FCV)의 보급을 위해 다음과 같은 구체적인 목표를 설정했습니다.수소 저장 시스템: 저장물질 중량의 6.5%가 수소(중량적 저장용량 6.5wt%)이어야 하며, 저장물질 1리터에 50g의 수소(부피적 저장용량 50g·L)가 함유되어야 한다.^â1).이러한 목표는 차량이 과도한 연료 없이 합리적인 거리를 이동할 수 있도록 보장합니다.

이러한 목표를 달성하기 위한 유망한 전략 중 하나는 다음과 같은 다공성 흡착제 재료를 개발하는 것입니다.금속-유기 프레임워크(MOF), 공유 유기 프레임워크(COF) 및 다공성 유기 폴리머(POP).이러한 모든 재료는 공통적인 특징을 공유합니다. 즉, 수소 가스를 효과적으로 포집하고 저장할 수 있는 다공성 구조를 가지고 있다는 것입니다.이 접근법은 또한 100bar 이내와 같이 더 낮은 압력에서 수소 저장을 촉진하는 것을 목표로 합니다.

DOE의 중량 측정 목표를 능가하는 발전에도 불구하고 많은 흡착제 재료는 여전히 부피 용량 요구 사항을 충족하는 데 어려움을 겪고 있으며 부피 측정 목표와 중량 측정 목표 모두의 균형을 맞출 수 있는 물질은 거의 없습니다.산업적 관점에서 보면 차량 저장 탱크의 공간이 제한되어 있기 때문에 부피 용량이 중량 용량보다 더 중요합니다.

수소 저장 시스템의 용량은 FCV의 주행 거리에 직접적인 영향을 미칩니다.따라서 우수한 중량용량을 유지하면서 부피용량을 최대화하는 수소흡착제의 개발이 필수적이다.이 목표를 달성하려면 동일한 재료 내에서 높은 부피 및 중량 표면적의 균형을 맞추는 것이 필요합니다.

연구자들은 재활용 가능성으로 인해 유망한 옵션인 비공유 상호작용을 통해 유기 분자로부터 유기 초분자 결정을 조립하는 등 수소 저장을 위한 다양한 재료를 연구하고 있습니다.그러나 안정성을 유지하면서 균형 잡힌 높은 중량 및 부피 표면적을 갖춘 초분자 결정을 설계하는 것이 어렵기 때문에 이들의 잠재력은 아직 미개발 상태로 남아 있습니다.

다공성 물질의 기계적으로 연결된 네트워크를 포함하는 연결 현상으로 알려진 현상은 일반적으로 안정성을 향상시킵니다.그러나 카테네이션은 종종 감소합니다.표면적접근 가능한 표면을 차단하여 재료의 다공성을 줄이고 일반적으로 수소 저장에 바람직하지 않게 만듭니다.일반적으로 이를 최소화하거나 방지하려는 노력이 이루어집니다.

수소 저장을 위한 초분자 결정의 잠재력을 밝히기 위해 Fraser STODDART 교수가 이끄는 공동 연구팀과 연구 조교수인 Chun Tang 박사, 홍콩 대학교(HKU) 화학과의 Ruihua Zhang 박사가 함께합니다., 미국 노스웨스턴 대학 화학 및 생물 공학과의 Randall Snurr 교수는 통제된 "점 접촉 연결 전략"을 시연했습니다.

연구는출판됨일지에자연화학.

이 혁신적인 접근 방식은수소결합, 그 단면은 초분자에서 정확한 방식으로 연결을 안내하기 위해 큰 "표면" 중첩을 포함하는 전통적인 [Ï···Ï] 스태킹이 아닌 "점"으로 볼 수 있습니다.크리스탈.이 전략을 기반으로 연구원들은 상호 침투로 인한 표면 손실을 최소화하고 최적의 수소 저장을 위해 기공 직경(~1.2~1.9 nm)을 조정하는 잘 구성된 프레임워크를 만듭니다.

그 결과, 연구팀은 사상 최고 중량(3,526m2)의 초분자 결정을 얻었다.2g^â1) 및 균형 잡힌 체적(1,855m²cm^â3) 보고된 모든 (초)분자 결정 중 표면적은 높은 안정성 외에도 (i) 우수한 재료 수준의 부피 용량(53.7 g L^â1), (ii) 실제 압력 및 온도 변동 조건(77K/100bar ~ 160K/5bar)에서 수소 저장을 위한 높은 중량 용량(9.3wt%)의 균형을 유지하고 (iii) DOE 최종 시스템을 능가합니다.^{수준 목표 (50g Lâ1}및 6.5 중량%) 극저온임에도 불구하고 부피 및 중량 측정 모두에서.^{혁신적인 디자인}높은 중량 및 부피 표면적의 균형을 유지하면서 높은 안정성을 유지하는 유기 초분자 결정을 설계하는 것은 중대한 과제로, 이로 인해 많은 응용 분야에 대한 잠재력이 저해되었습니다.

그러나 연구팀은 연결 중 표면 손실을 최소화하기 위해 수소 결합과 관련된 점 접촉 상호 작용을 활용하는 점 접촉 연결 전략을 제안했습니다.

이 설계 전략은 이러한 초분자 결정에 균형 잡힌 높은 부피 및 중량 표면적, 높은 안정성 및 수소 저장을 위한 이상적인 기공 크기를 부여합니다.

이 연구는 온보드 수소 저장을 위한 유망한 후보로서 유기 초분자 결정의 잠재력을 밝히고 응용을 위한 견고한 다공성 재료를 설계할 때 방향성 연결 전략의 잠재력을 강조합니다.

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