Metallacarboranes可能符合DOE储存目标

2019-04-15 09:35:10
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莱斯大学科学家的一项新研究表明,一类被称为金属碳硼烷的物质可以储存氢气,或者比美国能源部(DOE)氢能计划2015年设定的基准值更好。

随着氢气作为汽车,燃料电池和工业的未来燃料发挥作用,这项工作可能受到广泛关注。

赖斯理论物理学家鲍里斯·雅科布森及其同事的新研究,出现在美国化学学会在线杂志上,利用过渡金属钪和钛的能力来控制氢分子的负荷 - 但不是那么紧密,他们可以不被提取。

理论上,由金属碳硼烷制成的基质在氢原子中的重量可达8.8%,这至少可以达到并且可能超过一年前针对使用氢燃料的汽车发布的DOE里程碑。

Rice的机械工程和材料科学与化学教授Yakobson说,这项新研究的灵感来自于金属碳硼烷的开发,金属碳硼烷现在是众所周知的分子,它将硼,碳和金属原子结合在笼状结构中。

“单个金属原子可以结合多个氢分子,”Yakobson说,“但金属也倾向于聚合。没有东西可以阻挡它们,它们会聚集成一团,无用。”

该研究的主要作者Abhishek Singh是Yakobson的前博士后研究员,现在是印度班加罗尔印度科学研究所的助理教授,他计算出硼簇会夹住钛和钪,后者又会结合氢。“这些金属在一个环境中就像宝石一样,因此它们不会聚集,”Yakobson说。碳将链接簇形成一个称为金属有机框架(MOF)的基质,它就像氢的海绵一样。

对各种过渡金属的研究表明,钪和钛具有最高的吸附速率(瞬态分子 - 如氢气 - 附着在表面上)。两者都表现出对“库巴斯”相互作用的亲和力,这种相互作用是在某些情况下可以将原子彼此结合的电子交易。“库巴斯是一种特殊的相互作用,你经常在氢研究中看到它,因为它提供了正确的结合强度,”雅各布森说。

“如果你还记得基础化学,你知道共价键是非常强的。你可以结合氢,但你不能把它拿出来,”他说。“而另一个极端是弱的物理吸附。分子不会形成化学键。它们只是通过范德华力展现出微弱的吸引力。

“Kubas的相互作用位于中间并提供了正确的结合,因此可以储存氢气,如果你改变条件 - 加热一点或减少压力 - 它可以被取出。你希望框架就像一个油箱。“

Yakobson说,Kubas允许在环境条件下可逆地储存氢气 - 从远高于室温到远低于室温 - 这将使金属碳硼烷材料在日常使用中具有极大的吸引力。他说,已经证实的碳基质对氢的物理吸附也会以更低的百分比发生,这将是一个额外的好处。

其他研究已经证明了如何制造基于碳硼烷的MOF。“这意味着他们已经可以制作出仍然可供天然气使用的三维材料框架。这对我们来说非常鼓舞人心,”Yakobson说。“有很多论文让人们分析一个星团并说,'哦,这也会吸收氢,'但这没用。一个集群什么都没有。

“但如果化学家能够将金属碳硼烷作为一种元素合成这一特定的框架,那么这可能成为现实。”

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