能源是經濟發展和社會進步的重要基礎，在能源消耗不斷攀升從而給環境與社會帶來諸多問題的背景下，節能減排已經成為當今人類的共識。基于多孔材料和易液化吸附質的吸附熱轉換過程（例如吸附制冷和吸附熱泵）可用于有效利用低品質熱源和廢熱。一方面，常用的多孔材料活性炭和硅膠存在孔徑不均、工作量低等缺點。另一方面，與氣體吸附儲存在單一的等溫或者等壓條件下工作不同，吸附熱轉換在低溫低壓吸附和高溫高壓脫附之間進行，其循環工作量對吸附等溫線的形狀更敏感。相比于常見的Langmuir型或I型吸附等溫線來說，介孔材料的特征IV型或V型等溫線能夠在相同的溫度壓力區間內更大的工作容量。
多孔配位聚合物（Porous Coordination Polymer, PCP），也稱金屬有機框架（Metal-organic Framework, MOF）具有豐富多樣而且可設計剪裁的框架和孔結構。例如，一些由三重對稱無機鏈和直線型有機橋聯配體構成的三維框架具有防止網絡穿插的結構特征，其蜂窩狀一維孔道可以按需擴張。另一種構筑具有蜂窩狀一維孔道的三維框架的方式是使用三重對稱無機鏈和三重對稱有機橋聯配體。根據幾何原理，這兩種構筑方式所得的一維孔道直徑大約是配體橋聯長度的兩倍。
吸附式熱轉換統的工作原理（左）以及具有IV型等溫線的介孔吸附劑可以提供更大的工作量（右）
近期，我校化學學院張杰鵬教授研究團隊設計了一類具有蜂窩狀一維孔道的新型三維框架。由于使用了二次對稱的金屬草酸根鏈和三次對稱的有機橋聯配體，其孔道直徑大約是配體橋聯長度的四倍。因此，使用三種普通的三角形有機配體，就合成了孔徑約為2-4 nm的三例新型介孔框架MCF-61、MCF-62和MCF-63，其孔容為1.19-2.36 cm3g-1，BET表面積為2096-2749 m2g-1。以溫室效應可忽略的R-134a（1,1,1,2-Tetrafluoroethane）作為吸附質時，這些材料體現出介孔材料的IV型吸附等溫線，而且吸附量突躍的壓力隨孔徑增大而增大。在日常所需的吸附制冷或熱泵以及常見的低溫熱源溫度下，MCF-63可實現高達1.19 g g-1或0.38 g cm-3的循環工作量，遠高于具有相似孔容和表面積，但孔徑分布不均且具有I型吸附等溫線的多孔碳材料。上述結果不但為PCP/MOF提供了一種新的框架模型，還展示了介孔材料在吸附熱轉換應用的潛力。相關工作發表Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.201704350）上，并獲Materials Views China報道。本文第一作者為中山大學化學學院2016級碩博連讀生莫宗文。
上述研究獲得“973”計劃項目、國家自然科學基金的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201704350
