由於其零排放和高重量能量密度，氫氣通常被視為未來的燃料，這意味著與汽油相比，它每單位質量可以儲存更多的能量。然而，其體積密度低，意味著它佔用大量空間，為高效儲存和運輸帶來挑戰。

為了解決這些缺陷，氫氣必須在儲槽中壓縮至 700 巴，這個壓力非常高。這種情況不僅會導致高成本但也引發了安全問題。

為了普及氫動力燃料電池汽車（FCV），美國能源部（DOE）制定了具體目標儲氫系統：儲存材料重量的6.5%應為氫氣（重量儲存容量為6.5 wt%），一公升儲存材料應容納50克氫氣（體積儲存容量為50 g L^Ø1）。這些目標確保車輛能夠行駛合理的距離而無需過多的燃油。

實現這些目標的一項有前景的策略是開發多孔吸附材料，例如金屬有機骨架（MOF）、共價有機框架（COF）和多孔有機聚合物（POP）。所有這些材料都有一個共同的特徵：它們具有多孔結構，可以有效地捕獲和儲存氫氣。該方法還旨在促進較低壓力（例如 100 bar 以內）的氫氣儲存。

儘管在超越美國能源部的重量目標方面取得了進展，但許多吸附劑材料仍然難以滿足體積容量需求，而且很少有材料能夠平衡體積和重量目標。從工業角度來看，體積容量比重量容量更重要，因為車輛儲槽的空間有限。

儲氫系統的體積直接影響燃料電池汽車的續航里程。因此，開發能夠最大化體積容量同時保持優異的重量容量的氫吸附劑至關重要。要實現這一目標需要平衡同一材料內的高體積和重量表面積。

研究人員正在研究各種用於儲氫的材料，其中有機超分子晶體透過非共價相互作用由有機分子組裝而成，由於其可回收性，成為有前途的選擇。然而，它們的潛力在很大程度上尚未開發，因為設計具有平衡的高重量和體積表面積並同時保持穩定性的超分子晶體是困難的。

一種稱為串聯的現象，涉及多孔材料中的機械互鎖網絡，通常可以增強穩定性。然而，串聯通常會減少表面積透過阻擋可接觸的表面，使材料的孔隙較少，並且通常不適合儲氫。通常會努力減少或避免這種情況。

為了釋放超分子晶體儲氫的潛力，由 Fraser STODDART 教授領導的合作研究團隊與香港大學化學系的研究助理教授 Chun Tang 博士、Ruihua 張瑞華博士合作，和美國西北大學化學與生物工程系的Randall Snurr教授展示了一種受控的「點接觸串聯策略」。

該研究是發表在日記中自然化學。

這種創新方法使用氫鍵，其橫截面可視為一個“點”，而不是傳統的[Ïâ····Ï]堆疊，後者涉及大的“表面”重疊，以精確的方式引導超分子中的串聯晶體。基於此策略，研究人員創建了一個組織良好的框架，最大限度地減少互穿引起的表面損失，並調整孔徑（~1.2-1.9 nm）以實現最佳的儲氫效果。

結果，研究小組獲得了具有創紀錄重量的超分子晶體（3,526 m2克^Ø1）和平衡體積（1,855 m²公分^Ø3）所有報告的（超）分子晶體中的表面積，除了高穩定性之外，同時（i）帶來優異的材料級體積容量（53.7 g L^Ø1），（ii）在實際壓力和溫度波動條件（77 K/100 bar – 160 K/5 bar）下平衡儲氫的高重力容量（9.3 wt%），以及（iii）超越 DOE 最終系統 -水平目標（50 g L^Ø1儘管是在低溫下，但體積和重量上的含量分別為 6.5 wt%和 6.5 wt%。^創新設計設計平衡高重量和體積表面積，同時保持高穩定性的有機超分子晶體是一項重大挑戰，這阻礙了其在許多應用中的潛力。

然而，該團隊提出了一種點接觸串聯策略，利用涉及氫鍵的點接觸相互作用來最大限度地減少串聯過程中的表面損失。

這種設計策略賦予這些超分子晶體平衡的高體積和重量表面積、高穩定性以及用於儲氫的理想孔徑。

這項研究釋放了有機超分子晶體作為機載儲氫的有希望的候選者的潛力，並強調了定向串聯策略在設計堅固的多孔材料的應用中的潛力。

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