研究金属有机框架的热挑战

时间：2022-06-02 18:46:17来源：

在肉眼看来，金属有机框架 (MOF) 看起来有点像沙子。但如果你放大，你会发现每一粒谷物看起来和行为都更像海绵——并且具有相似的目的。MOF 用于吸收和保持气体，这在尝试过滤空气中的有毒气体或作为天然气或氢气动力发动机储存燃料的一种方式时非常有用。

由六所大学的跨学科团队领导的新研究检查了 MOF 中的热传递及其在 MOF 用于储存燃料时所起的作用。通讯作者 Christopher Wilmer、William Kepler Whiteford 教员、匹兹堡大学斯旺森工程学院化学与石油工程助理教授与卡内基梅隆大学、弗吉尼亚大学、奥道明大学、西北大学的研究人员合着了这项工作，和德国卡尔斯鲁厄的卡尔斯鲁厄理工学院。该研究结果最近发表在《自然通讯》上。

“将 MOF 用于汽车油箱的挑战之一是您必须能够在几分钟或更短的时间内加满油，”Wilmer 解释说。“不幸的是，当你用氢气或天然气快速填充这些基于 MOF 的储罐时，它们会变得非常热。爆炸的风险并不大——尽管有——但事实上它们不能储存太多的气体。它们很热。使用它们存储大量气体燃料的整个前提仅在室温下有效。对于其他工业应用，您面临类似的问题——每当快速加载气体时，MOF 就会变热，不再有效工作。 "

换句话说，为了使 MOF 对这些应用有用，它们需要保持凉爽。这项研究着眼于 MOF 中的热传输，以探索它们能够多快散发多余的热量，该小组发现了一些令人惊讶的结果。

“当你使用这些多孔材料时，它们一开始是隔热的，然后用气体填充它们，它们似乎变得更加绝缘。这令人惊讶，因为通常情况下，像绝缘或双层玻璃窗中的空口袋提供良好的隔热性，”Wilmer 解释说。“通过采用多孔材料并填充它们，从而消除这些间隙，您会期望热传输得到改善，使其更具导热性。相反的情况会发生;它们变得更加绝缘。”

为了得出他们的结论，研究人员使用两种不同的方法和在两个不同实验室合成的 MOF 进行了两个同时实验。两组都观察到相同的趋势：MOF 在充满吸附物时变得更加绝缘。他们的实验结果也得到了皮特与卡内基梅隆大学合作的原子模拟的验证。

“我们的工作表明在研究实验室之外使用 MOF 可能面临挑战，但这是该过程中的必要步骤，”卡内基梅隆大学机械工程教授 Alan McGaughey 说。“随着这些材料向广泛的、实际使用的方向发展，研究人员将需要继续研究这些材料曾经被忽视的特性，如热传输，并找到使用它们以满足我们需求的最佳方法。”

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