在吸收甲烷时，柔性金属有机骨架(MOFs)发生显著的结构变化，迅速从无孔变成高度多孔的材料。这张照片显示了MOFs结构转变后形成的单孔。

(图片来源：加州大学伯克利分校Jarad Mason)

一个存储甲烷的创新方式可加快天然气驱动汽车的发展，不需要目前高压或者低温液化天然气的存储方法。

天然气比汽油燃烧得更清洁，目前超过150000辆压缩天然气(CNG)车在美国路上行驶，大部分是卡车和公共汽车。但是直到制造商们找到一种在更低压力和温度下将更多甲烷装进燃料罐的方法，来实现更远的行驶里程和更少的充气次数后，轿车才会采用天然气作为燃料。

为了解决这些问题，加州大学伯克利分校的化学家们开发了一种柔性高度多孔的材料来存储甲烷，这种材料被称为金属有机骨架(MOF)。当甲烷充入并驱动引擎时，柔性MOFs发生变化，但只有在适当压力的充入才会扩展，家用压缩机可实现这个压力。

“你可以在家里填充，”领导该项目的加州大学伯克利分校化学教授JeffreyLong说。在35-65倍的大气压(500-900psi)下，柔性MOFs可装载天然气的主要成分甲烷，而压缩天然气(CNG)车辆需要在250个大气压(3600 psi)下，将天然气压缩到空的燃料罐。液化天然气(LNG)车辆需要较低的压力，但存储罐需要良好的绝缘系统来保持天然气在-162℃(-260F)仍然是液体。

据Long教授介绍，下一代天然气车辆将需要约束甲烷的材料，将甲烷更密集地装到燃料罐中以实现更长的行驶里程。主要的问题是寻找一种较低压力下吸附甲烷的材料，比如35个大气压，然后引擎运行时在5-6个大气压下释放甲烷。MOFs，具有很多吸收气体的内部界面，并在高密度下存储气体，是一种最有前途的天然气存储材料。

Long教授十年来一直在探索将MOFs材料作为气体吸收剂，希望用它们来捕捉从发电厂排放的二氧化碳，或者在氢燃料汽车中储存氢气，或者工业上用于催化气体反应。去年，加州大学伯克利分校BerendSmit研究发现刚性MOFs能够存储甲烷。因此，Long教授及其研究生和第一作者Jarad Mason转向了柔性MOFs，指出当甲烷充入和释放时，它们表现得更好。

他们测试的柔性MOFs是与benzenedipyrazolate(bdp)分子连接的钴原子和铁原子。钴(bdp)和铁(bdp)在扩展时是高度多孔的，但发生转变时，收缩到没有孔。

“在能量和热管理方面，这是一个巨大的进步的，”Long教授说。“利用这些新的柔性MOFs，你可以获得超过刚性MOFs的潜在容量。在柔性MOFs其他优势中，Long说，它们不像其他的甲烷吸收器一样会升温，需要更少的燃料来冷却。

“如果你充入如活性炭吸附剂的材料到燃料罐，当甲烷与之结合时会释放热量,”他说。“用我们的材料，其中一些热量会改变材料的结构，所以更少的热量会消散，更少的热量来控制。你不需要填充相关的冷却技术。”

当通入甲烷时，柔性MOF材料甚至可被放入气球一样的袋子中来适应MOF的膨胀，这样一些热量释放到膨胀的袋子中。这项工作在《Nature》的文章中描述。

来自于油井的天然气是目前最便宜和清洁的化石燃料之一，广泛用于家庭供暖以及制造业和发电。然而，它尚未广泛采用于交通部门，因为需要昂贵的大型车载压缩油箱。此外，与天然气相比，单位体积的汽油包具有三倍的能量密度，即使被压缩到3600 psi，天然气汽车还具有更少的行驶里程。为了推进车载天然气存储，福特汽车公司与加州大学伯克利分校在这个项目上进行合作，由美国能源部高级研究项目署能源(ARPA-E)资助。福特在压缩天然气/丙烷车辆领域是领导者，自2009年以来在美国销售超过57000辆，超过其他所有主要美国汽车制造商的销量总和。

“相比于相同条件下的压缩气体，低压多孔材料存储气体为天然气大量存储提供了关键的优势，”福特研究兼密歇根州迪尔伯恩先进工程研究小组兼ARPA-E项目首席研究员Mike Veenstra说。“低压的优点有益于运行的车辆和加气站。此外，低压的应用推动了那些先进的理念，如减少燃料罐厚度，降低了实现压缩天然气的等效体积容量需求。”

第一个金属有机骨架实验已经表明，它们能够超越刚性金属有机骨架的理论极限，Long教授说:“这是一项基础发现，需要大量工程实践来找出如何最好地利用这些新的吸附性质。“他和他的同事们也在开发柔性金属有机骨架来储存氢气。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby     校正：摩天轮