氢具有零排放和重量能量密度高等特点，通常被视为富有前景的未来燃料。然而，这种气体的体积密度低，需要占用大量空间，给高效存储和运输带来了挑战。为了解决这些缺陷，储罐中的氢气需压缩到700-bar的压力。这不仅成本高，而且容易引起安全问题。

（图片来源：scifac.hku.hk）

为了普及氢动力燃料电池汽车（FCV），美国能源部（DOE）为储氢系统设定了具体目标，即储氢材料重量中的6.5%应为氢（重量存储容量为6.5%），一升存储材料应容纳50克氢（体积存储容量为50 g L‒1），以确保车辆在不消耗过多燃料的情况下行驶适当里程。

实现这些目标的策略之一是开发多孔吸附材料，如金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）和多孔有机聚合物（POP）。这些材料的共同特点是都具有多孔结构，可以有效地收集和储存氢气。这种方法还有助于在较低压力下储存氢气，例如在100 bar内。

许多吸附材料在超越DOE重量目标方面取得了进展，但难以满足体积容量需求，很少有材料能同时实现体积和重量目标。从行业角度来看，体积容量比重量容量更为重要，因为车辆储罐的空间有限。

储氢系统的体积直接影响FCV的续驶里程。因此，开发具有最大体积容量同时可保持良好重量容量的氢吸附剂必不可少。实现这一目标需要在同一材料内平衡高体积比和重量比表面积。研究人员正在探讨各种储氢材料，其中通过非共价相互作用有机分子组成的有机超分子晶体，由于具有可回收性而成为有前景选项。然而，这种材料潜力并未得到充分开发，因为设计具有平衡的高重量比和体积比表面积的超分子晶体，同时保持稳定性，这是很难的。

通常情况下，通过链状化（catenation）现象可以提高稳定性，这涉及多孔材料中的机械互锁网络。然而，这会阻挡可接近的表面，通常会减少表面积，减弱材料的多孔性，通常不适合储氢。人们通常会尽量减少或避免这种情况。

据外媒报道，为了释放超分子晶体在储氢方面的潜力，由香港大学（HKU）和美国西北大学（Northwestern University）等机构研究人员组成的团队展示了一种可控的“点接触链状化策略（point-contact catenation strategy）”。

这种创新方法利用氢键，其横截面可视为一个“点”，而不是传统的 [π···π] 堆积（涉及较大的“表面”重叠），以精确的方式引导超分子晶体中的链状化。基于这一策略，研究人员创建了一个组织良好的框架，可充分减少因互相贯通而造成的表面损失，并调整孔径（约1.2–1.9 nm）以实现最佳储氢效果。

该团队由此获得了一种超分子晶体，它具有创纪录的重量比（3,526 m2 g-1）和平衡的体积比（1,855 m2 cm‒3）表面积，而且稳定性高，同时（i）实现了卓越的材料级体积容量（53.7 g L -1）；（ii）在实际压力和温度波动条件下（77 K/100 bar → 160 K/5 bar）平衡高重量容量（9.3wt%）以储存氢；（iii）尽管在低温下，但其在体积和重量方面均超过了DOE的最终系统级目标（50 g L -1和6.5 wt%）。

创新设计

设计有机超分子晶体以平衡高重量比和体积比表面积，同时保持高稳定性，这是一个巨大的挑战，使其许多潜在应用受阻。

然而，该团队提出的点接触链状化策略，利用涉及氢键的点接触相互作用来充分地减少链状化过程中的表面损失。这使超分子晶体具有平衡的高体积比和重量比表面积、高稳定性，以及理想的储氢孔径。

这项研究揭示了有机超分子晶体作为富有前景的车载储氢候选材料的潜力，并强调了定向链状化策略在设计坚固的多孔材料方面的应用潜力。