能源之光：中英纳米能源材料研究中心——“超级海绵”的微观宇宙
iNews 2022-05-12 11:48:00
武汉新能源研究院，已在创新奔跑中，步入第六个年头。
2016年，我们背靠华中科技大学电气学院、能源学院等多个优势学科，以成果转化为核心使命，市校共建了武汉新能源研究院。象征新能源之花的马蹄莲大楼，成为了光谷乃至湖北的创新地标。
过去六年，新能源研究院一直围绕两个大的方向性任务不懈探索：清洁能源的规模化利用和传统能源的清洁高效利用。一批重塑未来格局的源头创新，在这里发生；一批高质量的科技成果转化项目在这里崭露头角。
当前的武汉已全面吹响争创综合性国家科学中心、国家科技创新中心的号角，并启动建设光谷科技创新大走廊、东湖科技城，一批大科学装置规划，都与新能源密不可分。可以说，这是一场关于“新能源之都”的角逐，而如何用好新能源力量，共创低碳中国，更是未来城市角逐的主战场。
2022年，我们带着「INEW能见」专栏来了，在这里，每周和你分享我们的创新故事，能见=看见，能源未来。新能源创新发展之路，道阻且长，这是我们的使命，更是新的长征。
中英纳米能源材料研究中心
“超级海绵”的微观宇宙
2020年4月，美国西北大学（Northwestern University）的一个研究小组已经设计并合成了具有超高孔隙率和表面积的新材料，用于存储燃料电池动力车辆常用的氢气和甲烷气体。这种材料是一种金属-有机框架化合物（Metal-organic frameworks，MOFs），与传统的吸附材料相比，可以在更安全的压力和更低的成本下存储更多的氢和甲烷。
而如果要更生动形象地描述一下这种MOFs材料在其中发挥的神奇之处，那么——得益于其纳米级的孔隙，一克这种材料的样本（体积约为6颗M＆M巧克力豆），其表面积摊开可以足足覆盖1.3个足球场！（注①）
可不要小看这些孔，它的表面拥有惊人的吸附力。做成纳米级材料后，能够用于存储燃料电池汽车常用的氢气和甲烷等气体。
而在武汉光谷地标建筑——“马蹄莲”武汉新能源研究院大楼内，一项纳米级有机多孔材料的突破性成果，已在武汉新能源研究院的中英纳米能源材料研究中心，步入成果转化的快车道。
华中科技大学化学与化工学院副院长、中英纳米能源材料研究中心执行主任谭必恩教授领导的课题组是世界上第一批开展有机多孔聚合物研究的团队之一。
纳米级有机多孔材料的“万有引力”，不仅能吸附氢气、甲烷、二氧化碳等气体，实现在常温常压下高效运输，还能在水质治理、海面油污收集、甚至是血液毒素吸附的生物领域，大显身手。
它就像一块吸纳力惊人的“超级海绵”，让数以亿计的分子，涌入纳米孔道，驻扎在这无边无际的微观宇宙。
有机多孔材料的“万有引力”
作为英国皇家化学学会会士（FRSC），谭必恩教授在纳米材料、有机多孔材料的合成及气体储存、超临界流体化学、空间有机材料、特种高分子材料及先进树脂基复合材料等领域，有着极深的造诣。
2001年至2007年，谭必恩在英国利物浦大学做研究员，当时合作导师是英国皇家学会院士、利物浦大学教授Andrew Cooper。
2007年回国后，我国能源短缺和环境污染问题引起了谭必恩的注意。“能不能发展一些新材料，去改善能源和环境中遇到的一些问题？”他想，哪怕是对二氧化碳这类温室气体进行捕获和分离，把它储存起来也好。
当时，相比化石能源，更为清洁的氢能已经开始走入人们的视野，但如何在常温常压下实现对氢气高效存储，仍是阻碍氢能进一步推广的难题之一。氢气的摩尔质量很低，单位体积质量很小，想要在一定空间内储存更多氢气，要么通过加压，要么把氢气变成液体，但储存和运输成本都较高。
谭必恩决定研究一种全新的有机多孔材料，解决气体和其他物质的吸附及存储问题，让氢气的运输能“说走就走”。
他举例说，“一个实心的立方体，露在外面的面积非常少，但如果在中间开一个孔，表面积就增加了。如果开的孔洞越来越多，它的比表面积也就会越来越高。通过分子间作用力，一些气体分子会吸附在表面上，这是物理吸附。比表面积越大，吸附的分子量就越多。”
在谭必恩研究新材料之前，全世界的多孔材料已经有很多种。最常见的如活性炭，就是利用的多孔吸附原理。但是碳原子排列方式是固定的，想要通过对它进行结构设计来储氢并不容易。
“为什么不走MOFs这种金属-有机框架化合物的路线？”他说，MOFs是把金属和有机材料进行结合，相当于在有机材料中搭了个金属脚手架，用来固定或连接有机分子。它刚性极强，而且可以调节为不同的分子结构，但它有着稳定性差和不耐酸碱的缺点。
而一些传统的有机材料，比如塑料、橡胶、纤维等，给人感觉都很软，不够硬，传统观点认为没办法成孔，也就得不到太高的比表面积，不适合应用于有机多孔材料。
在随后几年的研究过程中，谭必恩团队提出“编织法构筑有机多孔材料”策略。研究在苯环等很多刚性的构筑单元中加入交联剂，像穿针引线一样，将刚性的构筑单元固定下来，用于构筑有机多孔材料。相比MOFs，用有机聚合物来做多孔材料，其耐酸碱和稳定性也会更好。加之其主要是由碳、氢、氧、氮等轻元素组成，因而密度也很低，更轻便。
2011年，该成果的第一篇相关论文发表。2016年，这项成果获得湖北省自然科学一等奖。
为科学家和企业家搭建双平台
2013年，“编织法构筑有机多孔材料”策略构建完成后，谭必恩开始思考：既然这项成果相较其他多孔材料，有这么多优势，能不能把它推广一下，走向应用？
▲ 使用外部交联剂“编织”的微孔聚合物，具有高比表面积的特性
“它有可能改变我们当前很多能源的存储方式，带来一种新的变革。”他说，尤其像二氧化碳的捕获、氢气的存储、天然气的存储。
2016年，谭必恩与Andrew Cooper院士，以及英国的一家氢能公司，开始合作开发用于氢能汽车的氢气存储材料。同年，Andrew Cooper院士访问武汉新能源研究院，提出能不能在这里做一个专业的纳米能源材料孵化平台，进行产品转化？
当年，依托武汉新能源研究院，华中科技大学和英国利物浦大学共建的中英纳米能源材料研究中心成立。
为方便成果转化，2018年，中英纳米能源材料有限公司同步创建。在国家多项成果转化政策鼓励下，谭必恩团队对“编织法构筑有机多孔材料”相关专利进行评估后，作价600万元入股，学校占30%，团队占70%。
目前，谭必恩团队17项发明专利中，已有4项进入成果转化。
他说，“中英纳米能源材料研究中心的定位：一个是推动中心和企业的相关成果实现转化；还有就是提供一个平台，把Andrew Cooper院士等世界顶尖的科学家汇聚到这个平台上，甚至将国外领先的科技成果放到这里来转化。”
“过去我一直是做基础研究的，最关注的是发论文。但是现在，我更多地会从产业化角度去考虑，关心这个中心怎么做产品运作，让成果走向转化，怎么让科学家和企业家之间达到一个黄金平衡。”
为不同分子“定制”蜂巢公寓
在中英纳米能源材料研究中心的会议室里，一排形状各异的玻璃瓶依次排开。有的装着细沙一样的粉末，有的装着粉笔头一样的小块，还有的装着鱼籽大小的褐色颗粒。
“不同的物质，分子大小和个性不同，具体的存储方式是不一样的。就像盖房子，虽然都需要用到混凝土材料，但是给气体分子住的房子和给液体分子住的房子，也不一样。”
谭必恩拿起一根试管中的褐色粉末摇晃了一下说，“这个粉末是用来储存气体的。你看着这些粉末微如尘埃，但如果用比表面积分析仪去测量，就会发现每一粒“尘埃”浑身都是孔隙，孔径大小在2纳米左右。它很像一个“蜂巢公寓”，有密密麻麻的房间，可以住很多气体分子。”
储存气体的时候，会施加一定的压力，释放的时候再进行减压，或物理升温，把气体都放出来。因为是物理吸附，气体性能不会发生变化。
以天然气为例，天然气的主要成分是甲烷。武汉很多出租车都使用天然气作为燃料，其中大多数是压缩天然气，压缩天然气是通过加压的方法对天然气进行存储，其储罐压力一般可达250个大气压左右。因为是高压，容器通常比较大、占空间，还存在安全隐患。但是通过特殊纳米材料做成的“蜂巢公寓”，34个大气压就可以让甲烷分子都“集中入住”。而且这个“公寓”，可能只需要薄薄的一块平板。
另一个瓶中的小块状材料，是用来除海面浮油的。“它可以根据你的需求做得很大”，谭必恩介绍，基本只需要两分钟左右，就能将单位面积内的海面浮油吸得干干净净，饱和容量可以达到它自身质量的30到40倍。
通过“编织法”构筑得到的有机多孔材料，除了常规的气体存储、水净化、除油外，还可以用来吸附人体血液中的毒素。“这个就是做血液灌流器的，主要用于人工肝”，他拿起一瓶褐色颗粒说，“它能吸附血液中的胆红素等物质，把毒素去除后，再把血液回输人体。”
人工肝除了需要吸附毒素，有时候还需要细胞增殖，让细胞像牵牛花爬藤一样攀附在一个“支架”上，进行培养。“我们同样可以提供这样的组织工程材料。”
为了让“性格相投”的分子愉快地住在一起，科研人员还会在有机多孔材料里引入官能团，比如羟基、羧基、醛基、醚键等，这些原子或原子团，对多孔有机材料的性质起着决定性作用。“它们能专门吸引氢气分子或者其他分子，进一步提高吸附性能。这也是有机多孔材料相较无机多孔材料的优势之一。”
谭必恩说，“中英纳米能源材料研究中心的短期目标，是实现有机多孔材料的阶段性量产，在不同领域应用起来。长远目标则是实现更多能源技术的突破，比如光解水制氢：利用高效的光解水催化剂，在太阳光照下，将水转化为氢气。该技术目前还在前期研究阶段，力争5年或10年以后，能够走向转化。”
（注①：储气能力新突破！具有超高孔隙率的新材料诞生：1克可以铺满1.3个足球场，来源：前瞻网）
