[发明专利]包含用于小分子捕获的内置式单分子阱的多孔材料

说明书

本发明涉及多孔金属-有机材料。特别地，本发明涉及包括用于捕获单分子的分子阱的多孔金属-有机材料及其制备方法。

在过去十年中，对CO₂释放到大气中的越来越多的关心使得研究的注意力已集中在调节人类活动二氧化碳的排放和提高化石燃料收获效率的方法上。特别地，从能量产生源捕获CO₂与天然气升级已被确定为关键反应，由此必须要解决这些问题。然而，特定分子的分离（比如在从烟气流中捕获CO₂的情况下，CO₂从N₂和其它气体的分离，在升级天然气的情况下，CO₂从CH₄的分离）经受了许多挑战，主要是关于调整感兴趣分子的吸附反应的难度。此外，诸如在本领域中传统使用的胺洗涤的方法存在着弊端，这些弊端包括在吸附剂再生过程中需要很大的动力。

因此，在单分子水平的靶向分子的新方法是有必要的，该方法显示了高选择性和低再生能量需求，并且能够消除或减轻一些与现有技术相关的缺点。

在本发明的第一方面，提供一种多孔材料，所述多孔材料包括(ⅰ)具有单一孔尺寸的单一孔，或(ⅱ)具有平均孔尺寸的多个孔，其中单一孔尺寸或平均孔尺寸是成比例的容纳单气体分子以排除掉额外的气体分子。

已制备出多孔金属-有机材料。根据所述材料是否具有离散的或延伸的结构，所述材料可以分别被称为金属-有机多面体（MOP）或金属-有机骨架（MOF）。所述材料的孔尺寸和内腔已被特别地配置用于一次诱捕一个分子。例如，在此描述的尺寸为0.7nm的“单分子阱”（SMT）包含用于诱捕一个CO₂分子的两个锚（anchor）（开放金属位点）。CO₂的长度（0.24nm）加上两倍的O原子与开放金属位点之间的距离（0.23×2=0.46nm）等于0.7nm，这允许两个开放金属位点与一个CO₂分子相互作用。单分子阱可与被限制的分子表现出强烈相互作用，而没有永久的化学反应。在本文中描述了具有用于CO₂捕获的不同的锚金属位点的典型材料。CO₂高于其他气体（比如N₂、CH₄、SO₂、和O₂）的吸附选择性已通过理论和实验进行了评估，表明这些单分子阱材料仅吸附CO₂。另外，还提供了用于H₂的单分子阱。本文还描述了用于其他小分子的包含单分子阱的其它材料。这些材料可被用于比如小分子捕获（例如碳捕获）、活化、转换、存储或涉及结合单气体分子的其他目的的应用中。

与本发明相关的主要技术优点在于，多孔材料可以在分子水平被配置以用于一对一的小气体分子捕获和分离，比如用于H₂存储、CO₂分离或N₂活化的目的，之前没有这样的方式。多孔材料可以被配置为捕获特定小气体分子、但排除其他分子，从而将他们分离。

所述多孔材料可以是合成的，与天然存在的截然相反。单一孔尺寸或平均孔尺寸可以采用多种尺寸。在一些实施例中，单一孔尺寸或平均孔尺寸范围为从长度大约6.6nm到长度大约9.5nm，其中“长度”指孔中任一方向上的最长距离。在一些实施例中，单一孔尺寸或平均孔尺寸范围为从约、最多约、或至少约6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5到约、最多约、或至少约7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0nm的长度、或高度、或源于其中的任何范围。在一些实施例中，单一孔尺寸或平均孔尺寸选自：

(ⅰ)6.8-7.4nm的长度，其中单气体分子可以例如是CO₂；

(ⅱ)6.6-7.0nm的长度，其中单气体分子可以例如是H₂；

(ⅲ)7.7-8.5nm的长度，其中单气体分子可以例如是N₂或CO；