客观日本

“收获”空气!多孔金属络合物用于沙漠绿化及材料生产

2021年01月26日 化学材料

利用分子“网”捕集二氧化碳等气体并将其转化为能源等的技术目前正在开发中。作为分子网受到关注的,是可利用无数小细孔捕集气体的“多孔金属络合物”。名字听起来有点复杂,只需将其理解成一种充满孔洞的材料即可。将无法捕捉的气体作为有实体的物质操控的“气体时代”很快就要到来。

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多孔金属络合物可以仅从气体中提取并存储有毒的甲烷和危险的乙炔,或者从沙漠上空的空气中“收获”宝贵的水。京都大学的北川进特别教授于1990年代开发出了这种物质,其结构类似于攀登架(Jungle Gym),尺寸仅数纳米(纳米为10亿分之1米)左右的无数小孔有序地排列着。可以向孔中大量储存所需的气体或者从孔中提取使用。另外,还可以作为催化剂使用,促进捕集的气体发生反应,将其转换成其他物质。北川特别教授坚定地表示:“把煤炭和石油当成珍宝的固体及液体时代已经过去。今后是气体的时代”。

多孔金属络合物的制作方法非常简单,只需混合含有机分子的溶液和含金属离子的溶液即可。通过改变有机分子和金属离子的组合,可以自由改变捕集的气体。截至目前共有约10万种多孔金属络合物,可以捕集的气体的种类也增加。北川特别教授2019年还与中国江苏师范大学等共同开发了捕集温室气体二氧化碳并将其转换为有用的有机分子的技术。

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多孔金属络合物拥有无数小孔,可以捕集目标气体储存

实用化的动向也在扩大。京都大学的校办初创企业Atomis(京都市)利用北川特别教授开发的材料,开发出了储存气体的新一代微型气瓶“CubiTan”。运输工业气体的传统气瓶高1.5米,重约60公斤,而CubiTan为29厘米见方的立方体状,重13公斤,与传统的气瓶一样,可以储存约7立方米的气体。

英国MOF Technologies公司开发的多孔金属络合物可以储存抑制水果释放的乙烯气体发挥作用的气体。可用于水果运输,延长水果的保存时间。据北川特别教授介绍,目前全球有20多家开发这种多孔材料的初创企业。

加州大学伯克利分校的奥马尔·M·亚基教授被北川特别教授称为“战友”。“我们坚持不懈地共同开拓了曾在学会等被批评‘没用’的多孔材料研究领域。”(北川特别教授)

亚基教授2017年与麻省理工学院(MIT)共同开发了利用多孔金属络合物从空气中提取水的元件。用多孔金属络合物吸附空气中含有的水蒸气后进行加热分离,然后再冷凝即可提取水。

最初可以提取的水量非常少,但现在提高了性能并改善了提取方法,在潮湿的环境下,每公斤多孔材料每天可以“收获”80~90升水,即使在沙漠等湿度较低的环境下,每公斤多孔材料每天也可以“收获”7~20升水。2018年在美国成立了初创企业“Water Harvesting”,目前正面向实用化推进商品开发。

气体看不见摸不着,在物质的三种形态中是人类最难操控的。但正因为如此,自由操控气体的科学也是一个充满新的可能性的前沿领域。操控分子的上帝之手——多孔金属络合物备受人们期待。

日文:三隅勇气,《日经产业新闻》,2021年1月1日
中文:JST客观日本编辑部

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