[发明专利]一种用于在室温下高甲烷存储的具有优化的开放金属位点以及孔空间的金属-有机构架

说明书

关于联邦资助的研究或开发的陈述

本发明是在政府支持下以国家科学基金会授予的拨款号CHE0718281进行的。该政府在本发明中拥有某些权利。

发明领域

本披露总体上涉及一种金属-有机构架，这种金属-有机构架用于一种或多种气体的有效存储。更具体地，本披露总体上涉及用于为优化的甲烷存储而配制和合成一种金属-有机构架的系统和方法。

背景技术

对于在将来利用清洁的能源资源（例如氢、甲烷（如天然气）以及乙炔）来说，实现高容量的气体存储材料是必要的。尽管在气体存储材料上已经有广泛的研究，但是到目前为止还没有制得满足在室温和中等的压力下所需要的存储容量的可行的储氢材料。甲烷的稳定性质（相对于乙炔）被认为是最有希望的替代性能源，尤其是对于移动应用。

最近，人们在将金属-有机构架（MOF）用于存储气体方面有兴趣，这些气体对于为不同的系统或装置（例如车辆）提供燃料是有用的。高度多孔的具有大的孔空间和高的表面积的MOF似乎有利于高的气体存储容量。然而，MOF与气体分子之间的相对弱的相互作用已经将其高的气体存储容量仅限制在低温（例如对于H2来说，77K）和/或高压（高达100巴(bar)）以便完全使用孔空间。此外，一些极其多孔的MOF的低构架密度还已经限制了其体积气体存储容量。对于这类材料在移动应用中的实际实施来说，构架密度是另一个重要的参数。在一些实施例中，用于高体积气体存储的理想的MOF材料是具有中等的多孔性的那些，其中由于与气体分子的强相互作用这些孔空间和功能位点被有效地使用；因此，它们的存储容量在较高的温度（例如室温）和较低的压力下（例如35巴）可以被最大化。

因此，所需要的是一种MOF，这种MOF有效地并且安全地在室温下存储气体（例如甲烷、天然气）。

发明内容

本发明的实施例通过提供用于在室温下存储气体的新颖的组合物和方法来解决上述这些问题。本发明的实施例提供对于存储气体（尤其对于提供燃料的目的）来说是安全并且有效的独特的方法和组合物。

在一些实施例中，一种用于在一种金属-有机构架中存储气体的方法可以包括使用一种微孔构架以便优化甲烷存储密度和体积甲烷存储量。这种微孔构架可以包括开放的铜位点和通道状的孔空间。

在一些实施例中，一种金属-有机构架可以包括一种3,3',3,5,5',5-苯-1,3,5-三基-六苯甲酸盐（3,3',3,5,5',5-benzene-1,3,5-triyl-hexabenzoate）或其衍生物和一种铜。这种3,3',3,5,5',5-苯-1,3,5-三基-六苯甲酸盐或其衍生物和这种铜可以彼此配位以便形成一种微孔的构架，这种构架包括开放的铜位点和通道状的孔空间。

在一些实施例中，一种金属-有机构架可以是由一种工艺制备的，这种工艺包括使3,3',3,5,5',5-苯-1,3,5-三基-六苯甲酸与一种铜盐和一种酸在一种极性溶剂中发生反应。这种工艺可以包括允许这种反应在高温下进行持续至少一天。这种工艺可以包括将这种金属-有机构架从这种极性溶剂中分离出来。

在一些实施例中，一种制备金属-有机构架的方法可以包括使3,3',3,5,5',5-苯-1,3,5-三基-六苯甲酸与一种铜盐和一种酸在一种极性溶剂中发生反应。这种方法可以包括允许这种反应在高温下进行持续至少一天。这种方法可以包括将这种金属-有机构架从这种极性溶剂中分离出来。

在一些实施例中，这种极性溶剂可以包括N,N-二甲基甲酰胺。在一些实施例中，这种铜盐可以包括Cu(NO₃)₂。在一些实施例中，这种铜盐包括Cu(NO₃)₂·2.5H₂O。在一些实施例中，这种高温是至少约50℃。在一些实施例中，允许这种反应在高温下进行持续至少两天。在一些实施例中，这种方法和/或工艺包括通过将这种有机金属构架在高真空下加热至高于100℃持续约一天来活化这种金属-有机构架。

附图说明

在以下优选实施例的详细说明的帮助下并且依据参照附图，本发明的优点对于本领域普通技术人员可能会变得显而易见。