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華科大譚必恩/王笑顏團隊《Adv. Mater.》:低成本制備高比表面積超交聯聚合物用于甲烷高效存儲
2024-02-08  來源:高分子科技

  天然氣,以甲烷為主要成分,不僅儲量充裕、成本效益高,而且在替代傳統能源方面展現出巨大潛力。然而,甲烷的儲存目前仍依賴于價格昂貴的大型儲罐和多級別壓縮系統。吸附式天然氣(ANG)存儲技術通過在燃料箱中使用納米多孔材料作為吸附劑,利用物理吸附提升能量密度,從而在降低存儲壓力的同時增加存儲效率。因而,研究和開發高性能吸附劑顯得尤為關鍵。


 1. 通過DBM溶劑編織策略和相應的構建單元合成SHCPs的途徑。


  近期,華中科技大學化學與化工學院的譚必恩教授研究團隊開發了一種創新的慢速編織策略,這一策略能在較低的催化劑用量下制備出具有極高比表面積的超交聯微孔聚合物(HCP)。研究中,他們使用二溴甲烷(DBM)替代了傳統的二氯甲烷(DCM)作為溶劑,并采用0-80°C的梯度加熱來構建具有更大孔隙率的HCP。DBM由于其較低的Friedel-Crafts烷基化反應活性,提供了更可控的編織速率,促進了更深層次的交聯反應。通過這種新策略,所得HCP的比表面積相較于舊方法提升44%至120%,特別是由1,3,5-三苯基苯合成的SHCP-3-Br顯示了最高的比表面積(3120 m2/g)。


 2. SHCPs的氮氣吸脫附等溫線、孔徑分布圖以及由溶劑編織法制備的HCPs的SBET與催化劑/單體摩爾比的關系。
 

圖 3. SHCP-3-Br和SHCP-3-Cl在273 K與298 K時的質量和體積甲烷吸脫附等溫線以及甲烷工作容量的對比。


  高壓甲烷吸附測試顯示,SHCP-3-Br在273 K和298 K下的質量和體積容量顯著優于SHCP-3-Cl,這主要得益于SHCP-3-Br更高的比表面積和更大的孔體積。在273 K/100 bar的條件下,SHCP-3-Br展現出的甲烷總吸附量為0.53 g/g(232 cm3 (STP)/cm3),質量容量超過了美國能源部(DOE)的存儲目標(0.5 g/g),這標志著其在商業化ANG技術應用中的潛力。綜合來看,SHCP-3-Br憑借其超高孔隙率和卓越的成本效益,有望成為大規模車用甲烷存儲技術中的低成本高容量ANG吸附劑候選材料。


  這項研究成果發表在《Advanced Materials》期刊,題為“Dibromomethane Knitted Highly Porous Hyper-Cross-Linked Polymers for Efficient High-Pressure Methane Storage”。論文的第一作者是華中科技大學化學與化工學院的碩士生楊守坤和博士生鐘子鋮,通訊作者為王笑顏副研究員和譚必恩教授。該研究得到了國家自然科學基金的資助。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202307579

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