综述：金属有机框架（MOFs）在高压氢存储领域的进展：机理、优化策略及未来展望

《International Journal of Hydrogen Energy》：Advancements in metal-organic frameworks (MOFs) for high-capacity hydrogen storage: Mechanisms, optimization strategies, and future perspectives

氢能储运：MOF材料性能优化与系统挑战研究

　　

作者：Bo Han、Mai Sheng Ng、Anutosh Chakraborty

新加坡南洋理工大学机械与航空航天工程学院，新加坡南洋大道50号，邮编639798，新加坡共和国

摘要

本文旨在弥合金属有机框架（MOF）基础研究与应用需求之间的差距，特别是针对商业氢储存系统的需求。我们不仅关注理想的氢气吸附能力，更侧重于实际应用。本文的一个关键贡献是引入了“吸附相密度”作为性能指标，通过评估孔隙填充效率将理论吸附数据与系统性能联系起来。这一指标明确了孔隙几何结构和结合化学性质如何影响氢气储存性能。

同时，我们提倡从粉末样品向工程化整体MOF的转变，后者具有更高的体积容量、机械强度和可扩展性。为了加速研究进展，我们提出了一种结合人工智能和分子模拟的方法，用于设计在100巴至5巴压力范围内具有最佳储氢能力的MOF，以满足汽车或固定式储存的需求。

针对高性能MOF在40克/升这一明显体积上限的问题，我们提出了灵活的框架结构、核壳设计及混合复合材料等创新策略。最后，我们讨论了热管理、水解稳定性和安全性等关键系统级挑战，强调了标准化测试和生命周期评估的必要性。本文最后呼吁向下一代MOF转变，重点介绍基于压力响应的灵活框架和导电MOF，这些材料都是通过全面的AI驱动方法设计的，以适应未来的能源需求。

引言

由于氢气具有高能量密度且在燃料电池中使用时零排放，它越来越被视为关键的清洁能源载体[1]。随着全球对可持续和可再生能源需求的增加，氢能在能源领域的作用变得更加重要[2]。国际能源署（IEA）预计到2050年全球氢气需求将超过5亿吨，是目前水平的四倍以上。清洁氢将在重工业、交通运输和能源储存领域的脱碳中发挥核心作用。这种需求的增长凸显了开发可扩展、高性能氢储存技术的紧迫性。然而，氢气作为能源载体的实际应用面临诸多挑战，主要与储存相关[3]。氢气在气态下的体积能量密度非常低，因此需要开发高效的储存方法以实现其广泛应用[4]。传统的储存方法（如高压气瓶和低温液态储存）存在安全性、能耗和成本问题[5]。因此，迫切需要先进材料和技术来确保氢气的安全、高效和低成本储存[6]。

金属有机框架（MOFs）是一类具有高度多孔结构的晶体材料[7]。MOFs由金属离子或簇与有机配体协同组成，在孔径大小、表面积和化学功能方面具有出色的可调性[8]。这些独特性质使其在传感器[9]、分离[10]和催化[11,12]等领域具有广泛应用前景。在氢储存方面，MOFs相比传统材料具有显著优势，如更大的表面积（从而提高吸附能力）和可调节的孔隙环境（可针对氢分子进行优化[13]）。MOF结构的多样性和模块化特性为下一代氢储存材料的发展提供了有力平台。图1展示了过去几十年氢储存和MOF发展的路线图和里程碑，体现了MOFs与氢储存技术的整合过程。

本文旨在全面概述MOFs在氢吸附和储存中的作用。通过分析最新进展和突破，我们探讨了MOFs为何特别适合氢储存应用，并解释了其优于其他材料的优势。本文将深入探讨MOFs的结构特性及其在氢储存中的应用，评估这些材料在现实世界中的实际效果。与以往仅关注传统MOF粉末或总吸附量的综述不同，本文引入了新的视角，包括用于实际性能评估的“吸附相密度”概念、克服堆积限制的整体MOF研究，以及利用机器学习和分子模拟加速MOF发现和优化的AI驱动设计策略。此外，本文还将重点关注最新创新，并对MOFs在氢储存中的潜力和局限性进行批判性分析，为这一快速发展的研究领域提供有价值的见解。

氢储存机制

氢储存主要涉及两种机制：物理吸附和化学吸附[14]。物理吸附是指氢分子通过弱范德华力与材料表面结合的过程，通常在低温下发生，能量变化较小，允许氢的可逆储存和释放。而化学吸附则涉及氢分子与材料表面的化学键合，形成更强的相互作用

结构多样性与可调性

MOFs在氢储存方面具有显著优势，主要得益于其结构多样性和可调性[40,41]。能够定制MOF结构中的孔径和形状是一个重要优势，因为它可以优化氢的吸附性能[42]。通过调整孔隙结构，研究人员可以增强氢分子与框架之间的相互作用，从而最大化储存容量。

MOFs的合成与功能化

MOFs的合成和功能化对其在氢储存中的应用性能至关重要[59]。其中，溶剂热法和水热法是最常用的合成技术[60,61]。这些方法涉及在高温高压下将金属盐与有机配体反应，生成结构明确的结晶MOFs。溶剂热合成通常使用有机溶剂

用于氢储存的基准MOFs

Madden等人[109]对MOFs进行了高通量筛选，以确定最佳的氢储存材料。他们随后合成了致密的整体MOFs（mono-MOFs）并评估了其性能（见图11(a)）。致密的HKUST-1整体MOF在50巴和77 K条件下可储存46克/升的氢气，在25巴和50巴的操作压力下分别具有41克/升和42克/升的储氢能力（见图11(b)）。这一性能表明

当前限制

尽管MOFs在氢储存方面具有良好性能和潜在应用，但仍需解决若干限制才能充分发挥其潜力。

可扩展性和成本问题：使用MOFs进行氢储存的一个主要挑战是可扩展性。MOFs的合成过程往往较为复杂，难以大规模工业化生产[71]。此外，原材料和合成过程的成本也可能较高

结论

本文强调了金属有机框架（MOFs）在氢储存中的重要作用，因其可调的孔隙率、较大的表面积和化学灵活性。这些结构特性使MOFs成为传统储存材料的有力替代品。最近在可扩展、环保的合成方法、合成后修饰及混合复合材料方面的创新

作者贡献声明

Bo Han：撰写初稿、进行形式分析、数据整理、概念构思。 Mai Sheng Ng：方法设计、实验研究、形式分析、数据整理。 Anutosh Chakraborty：撰写修订稿、监督工作、争取资金支持。

声明

英文写作已通过AI辅助工具DeepL进行语法检查。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢新加坡教育部（MOE）的财政支持（授权编号：RG53/21）。