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    能源之光:中英納米能源材料研究中心——“超級海綿”的微觀宇宙

    iNews 2022-05-12 11:48:00



    武漢新能源研究院,已在創新奔跑中,步入第六個年頭。


    2016年,我們背靠華中科技大學電氣學院、能源學院等多個優勢學科,以成果轉化為核心使命,市校共建了武漢新能源研究院。象征新能源之花的馬蹄蓮大樓,成為了光谷乃至湖北的創新地標。


    過去六年,新能源研究院一直圍繞兩個大的方向性任務不懈探索:清潔能源的規?;煤蛡鹘y能源的清潔高效利用。一批重塑未來格局的源頭創新,在這里發生;一批高質量的科技成果轉化項目在這里嶄露頭角。


    當前的武漢已全面吹響爭創綜合性國家科學中心、國家科技創新中心的號角,并啟動建設光谷科技創新大走廊、東湖科技城,一批大科學裝置規劃,都與新能源密不可分??梢哉f,這是一場關于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共創低碳中國,更是未來城市角逐的主戰場。


    2022年,我們帶著「INEW能見」專欄來了,在這里,每周和你分享我們的創新故事,能見=看見,能源未來。新能源創新發展之路,道阻且長,這是我們的使命,更是新的長征。



    中英納米能源材料研究中心

    “超級海綿”的微觀宇宙


    2020年4月,美國西北大學(Northwestern University)的一個研究小組已經設計并合成了具有超高孔隙率和表面積的新材料,用于存儲燃料電池動力車輛常用的氫氣和甲烷氣體。這種材料是一種金屬-有機框架化合物(Metal-organic frameworks,MOFs),與傳統的吸附材料相比,可以在更安全的壓力和更低的成本下存儲更多的氫和甲烷。


    而如果要更生動形象地描述一下這種MOFs材料在其中發揮的神奇之處,那么——得益于其納米級的孔隙,一克這種材料的樣本(體積約為6顆M&M巧克力豆),其表面積攤開可以足足覆蓋1.3個足球場!(注①)


    可不要小看這些孔,它的表面擁有驚人的吸附力。做成納米級材料后,能夠用于存儲燃料電池汽車常用的氫氣和甲烷等氣體。


    而在武漢光谷地標建筑——“馬蹄蓮”武漢新能源研究院大樓內,一項納米級有機多孔材料的突破性成果,已在武漢新能源研究院的中英納米能源材料研究中心,步入成果轉化的快車道。


    華中科技大學化學與化工學院副院長、中英納米能源材料研究中心執行主任譚必恩教授領導的課題組是世界上第一批開展有機多孔聚合物研究的團隊之一。


    納米級有機多孔材料的“萬有引力”,不僅能吸附氫氣、甲烷、二氧化碳等氣體,實現在常溫常壓下高效運輸,還能在水質治理、海面油污收集、甚至是血液毒素吸附的生物領域,大顯身手。


    它就像一塊吸納力驚人的“超級海綿”,讓數以億計的分子,涌入納米孔道,駐扎在這無邊無際的微觀宇宙。


    有機多孔材料的“萬有引力”



    作為英國皇家化學學會會士(FRSC),譚必恩教授在納米材料、有機多孔材料的合成及氣體儲存、超臨界流體化學、空間有機材料、特種高分子材料及先進樹脂基復合材料等領域,有著極深的造詣。


    2001年至2007年,譚必恩在英國利物浦大學做研究員,當時合作導師是英國皇家學會院士、利物浦大學教授Andrew Cooper。


    2007年回國后,我國能源短缺和環境污染問題引起了譚必恩的注意?!澳懿荒馨l展一些新材料,去改善能源和環境中遇到的一些問題?”他想,哪怕是對二氧化碳這類溫室氣體進行捕獲和分離,把它儲存起來也好。


    當時,相比化石能源,更為清潔的氫能已經開始走入人們的視野,但如何在常溫常壓下實現對氫氣高效存儲,仍是阻礙氫能進一步推廣的難題之一。氫氣的摩爾質量很低,單位體積質量很小,想要在一定空間內儲存更多氫氣,要么通過加壓,要么把氫氣變成液體,但儲存和運輸成本都較高。


    譚必恩決定研究一種全新的有機多孔材料,解決氣體和其他物質的吸附及存儲問題,讓氫氣的運輸能“說走就走”。


    他舉例說,“一個實心的立方體,露在外面的面積非常少,但如果在中間開一個孔,表面積就增加了。如果開的孔洞越來越多,它的比表面積也就會越來越高。通過分子間作用力,一些氣體分子會吸附在表面上,這是物理吸附。比表面積越大,吸附的分子量就越多?!?


    在譚必恩研究新材料之前,全世界的多孔材料已經有很多種。最常見的如活性炭,就是利用的多孔吸附原理。但是碳原子排列方式是固定的,想要通過對它進行結構設計來儲氫并不容易。


    “為什么不走MOFs這種金屬-有機框架化合物的路線?”他說,MOFs是把金屬和有機材料進行結合,相當于在有機材料中搭了個金屬腳手架,用來固定或連接有機分子。它剛性極強,而且可以調節為不同的分子結構,但它有著穩定性差和不耐酸堿的缺點。


    而一些傳統的有機材料,比如塑料、橡膠、纖維等,給人感覺都很軟,不夠硬,傳統觀點認為沒辦法成孔,也就得不到太高的比表面積,不適合應用于有機多孔材料。


    在隨后幾年的研究過程中,譚必恩團隊提出“編織法構筑有機多孔材料”策略。研究在苯環等很多剛性的構筑單元中加入交聯劑,像穿針引線一樣,將剛性的構筑單元固定下來,用于構筑有機多孔材料。相比MOFs,用有機聚合物來做多孔材料,其耐酸堿和穩定性也會更好。加之其主要是由碳、氫、氧、氮等輕元素組成,因而密度也很低,更輕便。


    2011年,該成果的第一篇相關論文發表。2016年,這項成果獲得湖北省自然科學一等獎。


    為科學家和企業家搭建雙平臺


    2013年,“編織法構筑有機多孔材料”策略構建完成后,譚必恩開始思考:既然這項成果相較其他多孔材料,有這么多優勢,能不能把它推廣一下,走向應用?


    ▲ 使用外部交聯劑“編織”的微孔聚合物,具有高比表面積的特性


    “它有可能改變我們當前很多能源的存儲方式,帶來一種新的變革?!彼f,尤其像二氧化碳的捕獲、氫氣的存儲、天然氣的存儲。


    2016年,譚必恩與Andrew Cooper院士,以及英國的一家氫能公司,開始合作開發用于氫能汽車的氫氣存儲材料。同年,Andrew Cooper院士訪問武漢新能源研究院,提出能不能在這里做一個專業的納米能源材料孵化平臺,進行產品轉化?


    當年,依托武漢新能源研究院,華中科技大學和英國利物浦大學共建的中英納米能源材料研究中心成立。


    為方便成果轉化,2018年,中英納米能源材料有限公司同步創建。在國家多項成果轉化政策鼓勵下,譚必恩團隊對“編織法構筑有機多孔材料”相關專利進行評估后,作價600萬元入股,學校占30%,團隊占70%。


    目前,譚必恩團隊17項發明專利中,已有4項進入成果轉化。


    他說,“中英納米能源材料研究中心的定位:一個是推動中心和企業的相關成果實現轉化;還有就是提供一個平臺,把Andrew Cooper院士等世界頂尖的科學家匯聚到這個平臺上,甚至將國外領先的科技成果放到這里來轉化?!?nbsp;


    “過去我一直是做基礎研究的,最關注的是發論文。但是現在,我更多地會從產業化角度去考慮,關心這個中心怎么做產品運作,讓成果走向轉化,怎么讓科學家和企業家之間達到一個黃金平衡?!?


    為不同分子“定制”蜂巢公寓



    在中英納米能源材料研究中心的會議室里,一排形狀各異的玻璃瓶依次排開。有的裝著細沙一樣的粉末,有的裝著粉筆頭一樣的小塊,還有的裝著魚籽大小的褐色顆粒。


    “不同的物質,分子大小和個性不同,具體的存儲方式是不一樣的。就像蓋房子,雖然都需要用到混凝土材料,但是給氣體分子住的房子和給液體分子住的房子,也不一樣?!?


    譚必恩拿起一根試管中的褐色粉末搖晃了一下說,“這個粉末是用來儲存氣體的。你看著這些粉末微如塵埃,但如果用比表面積分析儀去測量,就會發現每一?!皦m?!睖喩矶际强紫?,孔徑大小在2納米左右。它很像一個“蜂巢公寓”,有密密麻麻的房間,可以住很多氣體分子?!?


    儲存氣體的時候,會施加一定的壓力,釋放的時候再進行減壓,或物理升溫,把氣體都放出來。因為是物理吸附,氣體性能不會發生變化。


    以天然氣為例,天然氣的主要成分是甲烷。武漢很多出租車都使用天然氣作為燃料,其中大多數是壓縮天然氣,壓縮天然氣是通過加壓的方法對天然氣進行存儲,其儲罐壓力一般可達250個大氣壓左右。因為是高壓,容器通常比較大、占空間,還存在安全隱患。但是通過特殊納米材料做成的“蜂巢公寓”,34個大氣壓就可以讓甲烷分子都“集中入住”。而且這個“公寓”,可能只需要薄薄的一塊平板。


    另一個瓶中的小塊狀材料,是用來除海面浮油的?!八梢愿鶕愕男枨笞龅煤艽蟆?,譚必恩介紹,基本只需要兩分鐘左右,就能將單位面積內的海面浮油吸得干干凈凈,飽和容量可以達到它自身質量的30到40倍。


    通過“編織法”構筑得到的有機多孔材料,除了常規的氣體存儲、水凈化、除油外,還可以用來吸附人體血液中的毒素?!斑@個就是做血液灌流器的,主要用于人工肝”,他拿起一瓶褐色顆粒說,“它能吸附血液中的膽紅素等物質,把毒素去除后,再把血液回輸人體?!?


    人工肝除了需要吸附毒素,有時候還需要細胞增殖,讓細胞像牽?;ㄅ捞僖粯优矢皆谝粋€“支架”上,進行培養?!拔覀兺瑯涌梢蕴峁┻@樣的組織工程材料?!?


    為了讓“性格相投”的分子愉快地住在一起,科研人員還會在有機多孔材料里引入官能團,比如羥基、羧基、醛基、醚鍵等,這些原子或原子團,對多孔有機材料的性質起著決定性作用?!八鼈兡軐iT吸引氫氣分子或者其他分子,進一步提高吸附性能。這也是有機多孔材料相較無機多孔材料的優勢之一?!?


    譚必恩說,“中英納米能源材料研究中心的短期目標,是實現有機多孔材料的階段性量產,在不同領域應用起來。長遠目標則是實現更多能源技術的突破,比如光解水制氫:利用高效的光解水催化劑,在太陽光照下,將水轉化為氫氣。該技術目前還在前期研究階段,力爭5年或10年以后,能夠走向轉化?!?


    (注①:儲氣能力新突破!具有超高孔隙率的新材料誕生:1克可以鋪滿1.3個足球場,來源:前瞻網)