具有高储氢性能的有机超分子晶体可提高燃料电池汽车效率

氢气通常被视为未来的燃料，因为它零排放，重量能量密度高，这意味着与汽油相比，每单位质量氢气储存的能量更多。然而，氢气体积密度低，这意味着它会占用大量空间，这对高效储存和运输构成挑战。

为了解决这些缺陷，氢气必须在储罐中压缩至700巴的压力，这个压力非常高，不仅成本高昂，还存在安全隐患。

为了使氢燃料电池汽车(FCV)普及，美国能源部(DOE)对储氢系统设定了具体目标：储氢材料重量的6.5%应为氢气(重量储氢容量为6.5 wt%)，每升储氢材料应容纳50克氢气(体积储氢容量为50 g L-1)。这些目标确保车辆可以在不消耗过多燃料的情况下行驶合理的距离。

实现这些目标的一个有希望的策略是开发多孔吸附材料，例如金属有机骨架(MOF)、共价有机骨架 (COF) 和多孔有机聚合物 (POP)。所有这些材料都具有一个共同的特点：它们具有多孔结构，可以有效地捕获和储存氢气。这种方法还旨在促进在较低压力(例如 100 巴以内)下储氢。

尽管在超越 DOE 的重量目标方面取得了进展，但许多吸附材料仍然难以满足体积容量需求，很少有材料能够同时兼顾体积和重量目标。从工业角度来看，体积容量比重量容量更重要，因为车辆储罐的空间有限。

储氢系统的容量直接影响燃料电池汽车的续航里程。因此，开发能够最大限度提高体积容量同时保持出色重量容量的氢吸附剂至关重要。实现这一目标需要在同一材料内平衡较高的体积和重量表面积。

研究人员正在研究各种储氢材料，其中有机超分子晶体由有机分子通过非共价相互作用组装而成，由于其可回收性，是一种很有前途的选择。然而，它们的潜力仍未得到充分开发，因为设计具有平衡的高重量和体积表面积并保持稳定性的超分子晶体非常困难。

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