[发明专利]具有敞开的金属部位的微孔金属有机构架中的气体高吸附

说明书

相关申请的交叉参照

本申请要求享有2005年4月7日提交的美国临时申请序列号No.60/669,141的权益。

发明背景

1.发明领域

本发明通常涉及用于储存气体分子的材料，并特别涉及通过吸附或吸收而储存氢分子的材料。

2.背景技术

由于金属有机构架(“MOFs”)对设计的适应性及超常的多孔性而使其成为一类快速发展的多孔材料。本领域对MOFs摄取大量氢的最新发现作了进一步的加强研究。特别地，关注的焦点在于用以设计能够具有高的氢储存容量的MOF结构的识别策略。金属氧化物单元与有机连接体已被确定为氢结合的重要特征。最近显示互相贯穿的MOFs与其非互相贯穿的类似物相比能够摄取更多的氢。

在金属有机构架中(“MOFs”)生成Cu₂(CO₂)₄“桨轮”单元的合成条件以及这些材料在设计0-周期不连续和3-周期延伸结构中的用途是已知的。使用类似的条件合成MOF-505：在65℃下将3，3′，5，5′-二苯四羧酸(″H₄BPTC″)(25mg，0.076mmol)和Cu(NO₃)₂·(H₂O)₂·5(52mg，0.22mmol)于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)/乙醇/H₂O(3∶3∶2ml)中进行24hrs的溶剂热反应得到绿石型晶体(47mg，基于H4BPTC产率为86％)。通过微量元素分析与单晶X射线衍射研究发现所得的化合物与式Cu₂(BPTC)(H₂O)₂·(DMF)₃(H₂O)一致。

目前，最感兴趣的是开发针对多种应用的储存氢的方法及系统。例如，对于经由氢的电化学氧化而发电的燃料电池而言，氢是一种重要的燃料。此外，作为燃烧燃料的氢对于环境而言属于环境友好的，其只产生燃烧副产物水。氢气分子的易燃性及在某些情况下发生爆炸的事实使用于这类应用的氢储存成为难以解决的问题。存在储存氢的备选方法，但是由于一种或多种原因而使得目前的各种备选方案不符合需求。

二氧化碳的去除是目前另一个重点关注的领域。一般通过冷却并使废气加压或者通过使烟雾穿过氨水溶液的流化床而实现从发电厂的废气除去二氧化碳(目前人为的二氧化碳主要来源)，但上述两种方法均昂贵且效率低下。已经推行其他基于氧化物表面化学吸附二氧化碳或者在多孔的硅酸盐、碳和薄膜内吸附二氧化碳的方法作为二氧化碳摄取的手段。但是，为了获得具有长期二氧化碳去除活性(viability)的有效吸附介质，应具备下述两种特征：(i)周期性结构，其使二氧化碳的摄取与释放完全可逆；及(ii)适应性，其可获得优化摄取能力的化学功能和分子水平的微调。

因此，需要具有较高氢分子储存容量的材料。

发明内容

本发明通过在一个实施方案中提供包括金属有机构架的氢气储存材料而解决了现有技术中的一个或多个问题。本实施方案的金属有机构架包括多个金属簇以及与相邻的金属簇相连的多个带电的多齿连接配位体。每个金属簇包括一个或多个金属离子以及至少一个敞开的金属部位。有利地是，所述金属有机构架包括一个或多个用于储存氢分子的部位。

在本发明的另一个实施方案中，提供包括金属有机构架的气体储存材料。本实施方案的金属有机构架包括多个金属簇以及与相邻的金属簇相连的多个带电的多齿连接配位体。每个金属簇包括一个或多个金属离子以及至少一个可使用的金属部位。有利地是，所述金属有机构架包括一个或多个用于储存气体分子的部位。

在本发明的又一实施方案中，提供一种形成上文提出的气体储存材料的方法。通过将含有溶剂和金属离子的溶液与多齿连接配位体结合形成金属有机构架的前体来制备金属有机构架，所述金属离子选自由族1到族16的金属组成的组，其包括锕系元素和镧系无素及其组合。

在本发明的又一实施方案中，提供了气体储存系统。本实施方案的气体储存系统采用了上文提出的气体储存材料。在一种变化形式中，构建气体储存系统以将目标气体从气体混合物中分离。

附图简述

图1A为采用本发明至少一个实施方案中的气体储存材料的气体储存系统的示意图；

图1B为本发明用于分离气体混合物的一种变化形式的示意图；