Sự hấp phụ khí bởi các vật liệu nano có lỗ: Ứng dụng tương lai và thách thức thực nghiệm

MRS Bulletin - Tập 38 - Trang 412-421 - 2013
Darren P. Broom1, K. Mark Thomas2
1Hiden Isochema Ltd., UK
2Wolfson Northern Carbon Reduction Laboratories, School of Chemical Engineering and Advanced Materials, Newcastle University, UK

Tóm tắt

Có rất nhiều ứng dụng của vật liệu nano có lỗ, bao gồm lưu trữ, phân tách và tinh chế khí. Trong những năm gần đây, số lượng vật liệu nano có lỗ có sẵn đã tăng đáng kể, với các loại vật liệu mới, chẳng hạn như khung tổ chức kim loại-hữu cơ và polymer hữu cơ vi lỗ, gia nhập vào các chất hấp phụ truyền thống, bao gồm than hoạt tính, silica có lỗ và zeolit. Việc xác định các tính chất hấp phụ khí của những vật liệu này là rất quan trọng cho cả việc phát triển vật liệu mới cho các ứng dụng mục tiêu và đánh giá tính thích hợp của một vật liệu cho một công nghệ cụ thể. Trong bài viết này, chúng tôi cung cấp tổng quan về các vật liệu nano có lỗ và các tính chất hấp phụ khí của chúng, các ứng dụng hiện tại và tương lai cho các vật liệu mới, phương pháp đo lường hấp phụ, và những thách thức thực nghiệm liên quan đến việc xác định hấp phụ khí cả ở áp suất cao và từ các hỗn hợp nhiều thành phần.

Từ khóa

#vật liệu nano có lỗ #hấp phụ khí #khung tổ chức kim loại-hữu cơ #polymer hữu cơ vi lỗ #than hoạt tính

Tài liệu tham khảo

D.M. Ruthven, Principles of Adsorption and Adsorption Processes (Wiley, New York, 1984). R.T. Yang, Gas Separation by Adsorption Processes (Imperial College Press, London, UK, 1997). O. Talu, Adv. Colloid Interface Sci. 76 – 77, 227 (1998). D.M. Ruthven, Ind. Eng. Chem. Res. 39 (7), 2127 (2000). S. Sircar, A.L. Myers, in Handbook of Zeolite Science and Technology, S.M. Auerbach, K.A. Carrado, P.K. Dutta, Eds. (Marcel Dekker, New York, 2003), p. 1354. S. Sircar, Ind. Eng. Chem. Res. 45 (16), 5435 (2006). S. Sircar, Ind. Eng. Chem. Res. 46 (10), 2917 (2007). U. Ciesla, F. Schüth, Microporous Mesoporous Mater. 27 131 (1999). K.J. Edler, in Porous Materials, D.W. Bruce, D. O’Hare, R.I. Walton, Eds. (Wiley, Chichester, UK, 2011), p. 69. M. Kondo, T. Yoshitomi, H. Matsuzaka, S. Kitagawa, K. Seki, Angew. Chem. Int. Ed. 36 (16), 1725 (1997). H. Li, M. Eddaoudi, T.L. Groy, O.M. Yaghi, J. Am. Chem. Soc. 120, 8571 (1998). H. Li, M. Eddaoudi, M. O’Keeffe, O.M. Yaghi, Nature 402, 276 (1999). G. Férey, Chem. Soc. Rev. 37, 191 (2008). L.R. MacGillivray, Ed., Metal-Organic Frameworks: Design and Application (Wiley, New Jersey, 2010). S.S. Han, H. Furukawa, O.M. Yaghi, W.A. Goddard, J. Am. Chem. Soc. 130, 11580 (2008). N.B. McKeown, P.M. Budd, K.J. Msayib, B.S. Ghanem, H.J. Kingston, C.E. Tattershall, S. Makhseed, K.J. Reynolds, D. Fritsch, Chem. Eur. J. 11, 2610 (2005). N.B. McKeown, P.M. Budd, D. Book, Macromol. Rapid Comm. 28, 995(2007). J.-X. Jiang, A.I. Cooper, Top. Curr. Chem. 293, 1 (2010). K.S.W. Sing, D.H. Everett, R.A.W. Haul, L. Moscou, R.A. Pierotti, J. Rouquérol, T. Siemieniewska, Pure Appl. Chem. 57 (4), 603 (1985). H.K. Chagger, F.E. Ndaji, M.L. Sykes, K.M. Thomas, Carbon 33, 1405 (1995). R.F. Lobo, in Handbook of Zeolite Science and Technology, S.M. Auerbach, K.A. Carrado, P.K. Dutta, Eds. (Marcel Dekker, New York, 2003), p. 80. K. Egeblad, C.H. Christensen, M. Kustova, C.H. Christensen, Chem. Mater. 20, 946 (2008). S. Lopez-Orozco, A. Inayat, A. Schwab, T. Selvam, W. Schwieger, Adv. Mater. 23 (22–23), 2602 (2011). A.C. Pierre, G.M. Pajonk, Chem. Rev. 102, 4243 (2002). M.P. Suh, H.J. Park, T.K. Prasad, D.-W. Lim, Chem. Rev. 112, 782 (2012). Q.-R. Fang, T.A. Makal, M.D. Young, H.-C. Zhou, Comments Inorg. Chem. 31, 165 (2010). L. Song, J. Zhang, L. Sun, F. Xu, F. Li, H. Zhang, X. Si, C. Jiao, Z. Li, S. Liu, Y. Liu, H. Zhou, D. Sun, Y. Du, Z. Cao, Z. Gabelica, Energy Environ. Sci. 5, 7508 (2012). X. Feng, X. Ding, D. Jiang, Chem. Soc. Rev. 41, 6010 (2012). W. Zhang, C. Li, Y.P. Yuan, L.G. Qiu, A.J. Xie, Y.H. Shen, J.F. Zhu, J. Mater. Chem. 20, 6413 (2010). S.-Y. Ding, W. Wang, Chem. Soc. Rev. 42, 548 (2013). R.G. Loucks, R.M. Reed, S.C. Ruppel, D.M. Jarvie, J. Sediment. Res. 79 (12), 848 (2009). C.M. White, D.H. Smith, K.L. Jones, A.L. Goodman, S.A. Jikich, R.B. LaCount, S.B. DuBose, E. Ozdemir, B.I. Morsi, K.T. Schroeder, Energy Fuels 19 (3), 659 (2005). Y.B. Melnichenko, L. He, R. Sakurovs, A.L. Kholodenko, T. Blach, M. Mastalerz, A.P. Radli n´ ski, G. Cheng, D.F.R. Mildner, Fuel 91 (1), 200 (2012). A. Busch, Y. Gensterblum, Int. J. Coal Geol. 87, 49 (2011). M.W. Ackley, S.U. Rege, H. Saxena, Microporous Mesoporous Mater. 61, 25 (2003). A.J. Fletcher, K.M. Thomas, M.J. Rosseinsky, J. Solid State Chem. 178 (8), 2491 (2005). J. Jagiełło, P. Sanghani, T.J. Bandosz, J.A. Schwarz, Carbon 30 (3), 507 (1992). X.B. Zhao, B. Xiao, A.J. Fletcher, K.M. Thomas, J. Phys. Chem. B 109, 8880 (2005). K.K. Tanabe, S.M. Cohen, Chem. Soc. Rev. 40, 498 (2011). L.D. Gelb, K.E. Gubbins, R. Radhakrishnan, M. Sliwinska-Bartkowiak, Rep. Prog. Phys. 62, 1573 (1999). P.A. Monson, Microporous Mesoporous Mater. 160, 47 (2012). D.H. Everett, J.C. Powl, J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1 72, 619 (1976). K. Kaneko, K. Murata, Adsorption 3, 197 (1997). D.M. Ruthven, Chem. Ing. Tech. 83 (1–2), 44 (2011). K.M. Thomas, Dalton Trans. 1487 (2009). D.P. Broom, Hydrogen Storage Materials: The Characterisation of Their Storage Properties (Springer, London, UK, 2011). K. Konstas, T. Osl, Y. Yang, M. Batten, N. Burke, A.J. Hill, M.R. Hill, J. Mater. Chem. 22, 16698 (2012). T.A. Makal, J.-R. Li, W. Lu, H.-C. Zhou, Chem. Soc. Rev. 41, 7761 (2012). J.-R. Li, J. Sculley, H.-C. Zhou, Chem. Rev. 112, 869 (2012). J.-R. Li, R.J. Kuppler, H.-C. Zhou, Chem. Soc. Rev. 38, 1477 (2009). X. Zhao, B. Xiao, A.J. Fletcher, K.M. Thomas, D. Bradshaw, M.J. Rosseinsky, Science 306, 1012 (2004). S. Tedds, A. Walton, D.P. Broom, D. Book, Faraday Discuss. 151, 75 (2011). P. Voser, Energy Strategy Rev. 1, 3 (2012). D. Lozano-Castelló, J. Alcañiz-Monge, M.A. de la Casa-Lillo, D. Cazorla-Amorós, A. Linares-Solano, Fuel 81, 1777 (2002). V.C. Menon, S. Komarneni, J. Porous Mater. 5 (1), 43 (1998). T. Düren, L. Sarkisov, O.M. Yaghi, R.Q. Snurr, Langmuir 20, 2683 (2004). W. Zhou, Chem. Rec. 10, 200 (2010). Y. He, W. Zhou, R. Krishna, B. Chen, Chem. Commun. 48, 11813 (2012). D. Yuan, W. Lu, D. Zhao, H.-C. Zhou, Adv. Mater. 23, 3723 (2011). O.K. Farha, A.O. Yazaydin, I. Eryazici, C.D. Malliakas, B.G. Hauser, M.G. Kanatzidis, S.T. Nguyen, R.Q. Snurr, J.T. Hupp, Nat. Chem. 2, 944 (2010). H. Furukawa, N. Ko, Y.B. Go, N. Aratani, S.B. Choi, E. Choi, A.O. Yazaydin, R.Q. Snurr, M. O’Keeffe, J. Kim, O.M. Yaghi, Science 329, 424 (2010). Z. Guo, H. Wu, G. Srinivas, Y. Zhou, S. Xiang, Z. Chen, Y. Yang, W. Zhou, M. O’Keeffe, B. Chen, Angew. Chem. Int. Ed. 50, 3178 (2011). C.E. Wilmer, M. Leaf, C.Y. Lee, O.K. Farha, B.G. Hauser, J.T. Hupp, R.Q. Snurr, Nat. Chem. 4, 83 (2012). H. Wu, W. Zhou, T. Yildirim, J. Am. Chem. Soc. 131, 4995 (2009). S. Ma, D. Sun, J.M. Simmons, C.D. Collier, D. Yuan, H.-C. Zhou, J. Am. Chem. Soc. 130, 1012 (2008). R. Sakurovs, S. Day, S. Weir, G. Duffy, Energy Fuels 21, 992 (2007). R. Sakurovs, S. Day, S. Weir, G. Duffy, Int. J. Coal Geol. 73, 250 (2008). R. Sakurovs, S. Day, S. Weir, Energy Fuels 24, 1781 (2010). Modern Shale Gas Development in the United States: A Primer (U.S. Department of Energy, Washington, DC, 2009). D.M. Kargbo, R.G. Wilhelm, D.J. Campbell, Environ. Sci. Technol. 44, 5679 (2010). M. Kuhn, F. Umbach, Strategic Perspectives of Unconventional Gas: A Game Changer with Implications for the EU’s Energy Security (EUCERS, King’s College London, UK, 2011). H.-W. Häring, Ed., Industrial Gases Processing (Wiley, Weinheim, Germany, 2008). I.P. O’koye, M. Benham, K.M. Thomas, Langmuir 13, 4054 (1997). C.R. Reid, I.P. O’koye, K.M. Thomas, Langmuir 14, 2415 (1998). C.R. Reid, K.M. Thomas, Langmuir 15, 3206 (1999). J.D. Figueroa, T. Fout, S. Plasynski, H. McIlvried, R.D. Srivastava, Int. J. Greenhouse Gas Control 2, 9 (2008). S.I. Plasynski, J.T. Litynski, H.G. McIlvried, R.D. Srivastava, Crit. Rev. Plant Sci. 28, 123 (2009). J. Ciferno, J. Litynski, S. Plasynski, J. Murphy, G. Vaux, R. Munson, J. Marano, DOE/NETL Carbon Dioxide Capture and Storage RD&D Roadmap (National Energy Technology Laboratory, Pittsburgh, 2010). L. Espinal, B.D. Morreale, MRS Bull. 37, 431 (2012). S. Choi, J.H. Drese, C.W. Jones, ChemSusChem 2, 796 (2009). S. Keskin, T.M. van Heest, D.S. Sholl, ChemSusChem 3, 879 (2010). D.M. D’Alessandro, B. Smit, J.R. Long, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 6058 (2010). J.-R. Li, Y. Ma, M.C. McCarthy, J. Sculley, J. Yu, H.-K. Jeong, P.B. Balbuena, H.-C. Zhou, Coord. Chem. Rev. 255 (15–16), 1791 (2011). J. Liu, P.K. Thallapally, B.P. McGrail, D.R. Brown, J. Liu, Chem. Soc. Rev. 41, 2308 (2012). M. Kanniche, R. Gros-Bonnivard, P. Jaud, J. Valle-Marcos, J.-M. Amann, C. Bouallou, Appl. Therm. Eng. 30 (1), 53 (2010). T.C. Drage, C.E. Snape, L.A. Stevens, J. Wood, J. Wang, A.I. Cooper, R. Dawson, X. Guo, C. Satterley, R. Irons, J. Mater. Chem. 22, 2815 (2012). A.C. Kizzie, A.G. Wong-Foy, A.J. Matzger, Langmuir 27, 6368 (2011). E.J. Granite, H.W. Pennline, Ind. Eng. Chem. Res. 41, 5470 (2002). B. Chen, X. Zhao, A. Putkham, K. Hong, E.B. Lobkovsky, E.J. Hurtado, A.J. Fletcher, K.M. Thomas, J. Am. Chem. Soc. 130 (20), 6411 (2008). J.W. McBain, A.M. Bakr, J. Am. Chem. Soc. 48 (3), 690 (1926). S. Brunauer, The Adsorption of Gases and Vapors. Volume I: Physical Adsorption (Princeton University Press, Princeton, 1943). F. Rouquerol, J. Rouquerol, K. Sing, Adsorption by Powders and Porous Solids (Academic Press, London, UK, 1999). J.U. Keller, R. Staudt, Gas Adsorption Equilibria: Experimental Methods and Adsorption Isotherms (Springer, New York, 2005). S. Kiefer, E. Robens, J. Therm. Anal. Cal. 94, 613 (2008). S. Lowell, J.E. Shields, M.A. Thomas, M. Thommes, Characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area, Pore Size and Density (Springer, Dordrecht, Germany, 2004). J. Kärger, D.M. Ruthven, D.N. Theodorou, Diffusion in Nanoporous Materials (Wiley, Weinheim, Germany, 2012). C.R. Reid, K.M. Thomas, J. Phys. Chem. B 105, 10619 (2001). J. Klafter, M.F. Shlesinger, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 83, 848 (1986). X. Zhao, S. Villar-Rodil, A.J. Fletcher, K.M. Thomas, J. Phys. Chem. B 110 (20), 9947 (2006). A.J. Fletcher, Y. Uygur, K.M. Thomas, J. Phys. Chem. C 111, 8349 (2007). A.J. Fletcher, E.J. Cussen, D. Bradshaw, M.J. Rosseinsky, K.M. Thomas, J. Am. Chem. Soc. 126 (31), 9750 (2004). J. Crank, The Mathematics of Diffusion, 2 nd ed. (Oxford University Press, Oxford, UK, 1975). J.M. Zielinski, C.G. Coe, R.J. Nickel, A.M. Romeo, A.C. Cooper, G.P. Pez, Adsorption 13, 1 (2007). A. Qajar, M. Peer, R. Rajagopalan, H.C. Foley, Int. J. Hydrogen Energy 37, 9123 (2012). F.M. Nelsen, F.T. Eggertsen, Anal. Chem. 30 (8), 1387 (1958). A.J. Fletcher, M.J. Benham, K.M. Thomas, J. Phys. Chem. B 106, 7474 (2002). O. Talu, Chem. Ing. Tech. 83 (1–2), 67 (2011). R.M. Rynders, M.B. Rao, S. Sircar, AIChE J. 43 (10), 2456 (1997). G.O. Wood, Carbon 40, 685 (2002). P. Lodewyckx, G.O. Wood, S.K. Ryu, Carbon 42, 1351 (2004). M.D. LeVan, in Adsorption: Science and Technology, A.E. Rodrigues, M.D. LeVan, D. Tondeur, Eds. (Kluwer, Dordrecht, The Netherlands, 1989), p. 149. A. Badalyan, P. Pendleton, H. Wu, Rev. Sci. Instrum. 72 (7), 3038 (2001). P. Pendleton, A. Badalyan, Adsorption 11, 61 (2005). E.L. Fuller, J.A. Poulis, A.W. Czanderna, E. Robens, Thermochim. Acta 29, 315 (1979). S. Sircar, Ind. Eng. Chem. Res. 38, 3670 (1999). S. Sircar, AIChE J. 47 (5), 1169 (2001). W. Zhou, H. Wu, M.R. Hartman, T. Yildirim, J. Phys. Chem. C 111 (44), 16131 (2007). P van Hemert, H. Bruining, E.S.J. Rudolph, K.A.A. Wolf, J.G. Maas, Rev. Sci. Instrum. 80, 035103 (2009). Y. Gensterblum, P. van Hemert, P. Billemont, A. Busch, D. Charriére, D. Li, B.M. Krooss, G. de Weireld, D. Prinz, K.-H.A.A. Wolf, Carbon 47 (13), 2958 (2009). H. Furukawa, M.A. Miller, O.M. Yaghi, J. Mater. Chem. 17, 3197 (2007). L.J. Murray, M. Dinc a˘, J.R. Long, Chem. Soc. Rev. 38, 1294 (2009). P.J. Hall, S. Brown, J. Fernandez, J.M. Calo, Carbon 38, 1257 (2000). S. Scaife, P. Kluson, N. Quirke, J. Phys. Chem. B 104, 313 (2000). D. Lozano-Castelló, D. Cazorla-Amorós, A. Linares-Solano, Chem. Eng. Technol. 26 (8), 852 (2003). K. Murata, M. El-Merraoui, K. Kaneko, J. Chem. Phys. 114 (9), 4196 (2001). O. Talu, A.L. Myers, AIChE J. 47 (5), 1160 (2001). T. Düren, Y.-S. Bae, R.Q. Snurr, Chem. Soc. Rev. 38, 1237 (2009). S. Keskin, J. Liu, R.B. Rankin, J.K. Johnson, D.S. Sholl, Ind. Eng. Chem. Res. 48, 2355 (2009). Z. Xiang, D. Cao, J. Lan, W. Wang, D.P. Broom, Energy Environ. Sci. 3, 1469 (2010). J.G. Bell, K. Angus, C. Todd, K.M. Thomas, Ind. Eng. Chem. Res. 52 (3), 1335 (2013). K.C. Stylianou, J. Rabone, S.Y. Chong, R. Heck, J. Armstrong, P.V. Wiper, K.E. Jelfs, S. Zlatogorsky, J. Bacsa, A.G. McLennan, C.P. Ireland, Y.Z. Khimyak, K.M. Thomas, D. Bradshaw, M.J. Rosseinsky, J. Am. Chem. Soc. 134, 20466 (2012). K.A. Cychosz, R. Ahmad, A.J. Matzger, Chem. Sci. 1, 293 (2010). E.Q. Procopio, F. Linares, C. Montoro, V. Colombo, A. Maspero, E. Barea, J.A.R. Navarro, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 7308 (2010). J. Cai, Y. Xing, X. Zhao, RSC Adv. 2, 8579 (2012). S.-C. Xiang, Z. Zhang, C.-G. Zhao, K. Hong, X. Zhao, D.-R. Ding, M.-H. Xie, C.-D. Wu, M.C. Das, R. Gill, K.M. Thomas, B. Chen, Nat. Commun. 2, 204 (2011). E.D. Bloch, W.L. Queen, R. Krishna, J.M. Zadrozny, C.M. Brown, J.R. Long, Science 335, 1606 (2012).