多孔性金屬有機配位聚合物的建構及其儲氫性質研究.pdfVIP

化學 第六十六卷第二期 109-116 頁 專 題 回 顧 多孔性金屬−有機配位聚合物的建構 及其儲氫性質研究 羅左財 呂光烈* 中央研究院 化學研究所 摘要 ：以簡單、有效、成本低廉的自組裝反應所合成的多孔性金屬–有機配位聚合物具有很好的氫氣儲存 潛力，為目前重要而熱門的研究課題。本文探討多孔性金屬−有機配位聚合物的建構原理，用以認識其立 體孔洞結構；其次分析影響氫氣儲存效率的因素，列舉較前端發展的儲氫實例，並提出未來的展望。 關鍵詞 ：氫氣儲存、配位聚合物、能源利用、孔洞材料。 一、前 言 液化儲存是目前最常用的方法，其缺點是容器裝置的 重量過大，以及可能需在超過 800 bar 的高壓下作儲 化石燃料的需求與日俱增，日益高漲的油價深刻 存。這種加壓的過程也會消耗額外巨大的能量，且有 地影響大眾的生活。再者，溫室效應顯著，地球暖化、 爆炸的危險或有隔熱裝置的問題，成本較高 4 。另外從 海平面上升與氣候變遷也是人類需嚴肅面對的難題。 液態氫的密度來考慮，在1 atm 和20 K 下，液態氫的 是以能源的有效利用和新能源的開發顯得迫切而重要 密度僅有70.8 kg/m3 ，所以，這種傳統的儲氫方法無法 1 ，高效率和低污染的燃料電池將更具競爭力，特別是 滿足美國能源部所設下2015 年預計完成的長程研究目 氫燃料電池排放無污染的水蒸氣，既減碳又環保，氫 標3 。 能源動力車應會成為未來重要的交通工具。配合燃料 利用化學吸附的方法是可以達成此目標的一種選 電池的普及，無污染、具高熱焓值的氫氣，預料將成 項。活性金屬 (如鉑，鈀等) 可藉由表面的吸附作用使 為重要的能量載體 2 。然而，氫氣密度低、不易壓縮， 氫氣進入金屬 (或合金) 結構的孔隙當中，並逐漸平衡 其儲存和輸運仍有諸多困難有待解決，因此，發展安 形成穩定的固體金屬氫化物，其儲氫量可以超過100 kg 全且高效率的儲氫材料是氫燃料電池普及化的關鍵技 H 3 5 2/m 。缺點是這類的金屬氫化物有較強的化學作用 術之一，為目前先進國家的重要能源研究發展項目 1 。 力，在儲氫時會放出高熱，而釋出氫氣時則需額外提 美國能源部訂出未來儲氫系統能源密度的近遠期目標 供能量，在約 500 K 的高溫下較能順利進行。這些過 (包含容器和其他搭配裝置的重量) ，作為各國研究團隊 多的能量消耗會造成成本的增加，也造成使用上的不 的重要參考目標3 。在2010 年為 6.0 wt% 或為 45 kg 便，且這類金屬的價格比較高，其實用性和經濟效益 H /m3 ；在2015 年上調為9.0 wt% 或為81 kg H /m3 。 受到限制。儘管如此，這類儲氫材料的研究目前仍受 2 2 到相當大的重視，能夠降低釋放氫氣時所需要的溫度 二、儲氫材料的發展趨勢 是研究上要克服的重點問題4,5 。 利用物理吸附的方法，讓氫分子進入多孔物質 4 (如：沸石、活性碳、奈米碳管等) 的孔洞中，藉著氫 儲氫的方式有多種 ，利用高壓和低溫下的鋼瓶 化 學 109 中華民國九十七年第六十六卷第二期 多孔性儲氫材料