专利名称：用新型骨架材料储存、摄取和释放气体的方法
技术领域：
本发明涉及包括甲烷和氢气的气体的储存技术领域，尤其涉及燃料电池技术。本发明特别涉及使用金属-有机骨架材料摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或者摄取、储存和释放至少一种气体的方法，该骨架材料包含孔和至少一种金属离子以及至少一种与所述金属离子键联(优选配位键联)的至少双配位的有机化合物，并涉及一种含以上限定的材料的装置。
燃料电池技术被看作是21世纪的核心技术之一，举例来说，涉及固定应用，例如发电厂；移动应用，例如小汽车、公共汽车和卡车；便携式应用，例如蜂窝式电话和手提电脑；以及所谓的辅助动力装置，例如发电厂的电力供应。其原因在于相对于平常的内燃机，燃料电池提高了效率。另外，燃料电池大大减少了排放物。燃料电池技术当前进展的综述可以在Hynek等人的“Int.J.Hydrogen Energy”，22，No.6，pp.601-610(1997)、J.A.Kerres的“Journal of Membrane Science”，185，2001，p.3-27以及G.March在“Materials Today”，4，No.2(2001)，p.20-24中的进一步评论文章中看到。
EP-A 0 727 608中公开了金属有机络合物在储存气态C1-C4碳水化合物中的用途。然而，其中所公开的络合物难以合成。另外，即使不至于低到不能工业应用，它们的储存能力也是很低的。
提供用于储存气体的材料的另一尝试是掺碱或不掺杂的碳纳米管的使用。关于这种方法研究现状的综述可以在Yang在“Carbon”38(2000)，pp.623-641和Cheng等人在“Science”286，pp.1127-1129的文章中看到。
鉴于以上所述的现有技术，可见本发明的一个目的在于提供特别适用于储存和/或保留和/或释放气体的新材料。
实现该目的所采用的、以及本发明所涉及的，是摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或摄取、储存和释放至少一种气体的方法，其特征在于通过一种介质来摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或摄取、储存和释放气体，该介质包含一种金属-有机骨架材料，该材料含有孔和至少一种金属离子和至少一种与所述金属离子键联(优选配位键联)的至少双配位的有机化合物。
本发明还涉及一种容纳本文限定的金属-有机骨架材料的设备，优选燃料电池，用于摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或摄取、储存和释放至少一种气体。
本发明还涉及一种在固定、移动和移动便携式应用中，优选在发电厂、小汽车、卡车、公共汽车、蜂窝式电话和手提电脑中，用包含金属-有机骨架材料的介质摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或者摄取、储存和释放至少一种气体的方法，该金属-有机骨架材料包含孔和至少一种金属离子以及至少一种与所述金属离子键联(优选配位键联)的至少双配位的有机化合物。
本发明还涉及本文中所述的设备为发电厂、小汽车、卡车、客车、蜂窝式电话和手提电脑提供电力的用途。
所述含孔金属-有机骨架材料含有金属离子和至少双配位的有机化合物，所述双配位的有机化合物与金属离子键联，优选配位键联。这样的材料是已知的，并且例如在US 5,648,508、EP-A-0 709 253、J.Sol.StateChem.，152(2000)p.3-20、Nature 402(1999)，p.276 seq.、Topics in Catalysis9(1999)，p.105-111、Science 291(2001)，p.1021-23中有所描述。它们的廉价制备方法是DE 10111230.0的主题。上述文献的内容，此处作为参考，全部结合进本发明的内容。
金属-有机骨架材料(如本发明中所用的)包含孔，特别是微孔和/或中孔，其中按照Pure Applied Chem.45，p.71 seq.尤其是p.79(1976)的定义，分别定义微孔为具有2nm或2nm以下直径的孔，中孔为具有大于2nm至50nm范围内直径的孔。微孔和/或中孔的存在，可通过按照DIN66131、66134测定金属-有机骨架材料在77K下摄取氮气的能力的吸附测量进行监测。I-型等温曲线表明存在微孔。在一个优选的实施方式中，按照朗缪尔模型计算的比表面积优选大于5m2/g，更优选大于20m2/g，更加优选大于50m2/g，尤其优选大于500m2/g，并且可以增加大到大于2000m2/g的区域。
关于根据本发明所采用的骨架材料中的金属组份，尤其要提到的是周期表中Ia、IIa、IIIa、IVa到VIIIa和Ib到VIb族元素的金属离子，其中特别要提到的是Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb和Bi，更优选Zn、Cu、Ni、Pd、Pt、Ru、Rh和Co。就这些元素的金属离子而言，尤其要提到的是Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Sc3+、Y3+、Ti4+、Zr4+、Hf4+、V4+、V3+、V2+、Nb3+、Ta3+、Cr3+、Mo3+、W3+、Mn3+、Mn2+、Re3+、Re2+、Fe3+、Fe2+、Ru3+、Ru2+、Os3+、Os2+、Co3+、Co2+、Rh2+、Rh+、Ir2+、Ir+、Ni2+、Ni+、Pd2+、Pd+、Pt2+、Pt+、Cu2+、Cu+、Ag+、Au+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Al3+、Ga3+、In3+、Tl3+、Si4+、Si2+、Ge4+、Ge2+、Sn4+、Sn2+、Pb4+、Pb2+、As5+、As3+、As+、Sb5+、Sb3+、Sb+和Bi5+、Bi3+、Bi+。
关于优选的金属离子及其进一步的细节，我们特别指出EP-A 0 790253，尤其是p.10，1.8-30，“金属离子”部分，这里引入该部分作为参考。
关于能与金属离子配位的至少双配位的有机化合物，原则上可以使用适于该目的并满足上述为至少双配位这一要求的所有化合物。有机化合物必须有至少两个能与金属盐的金属离子，特别是与前述族的金属配位的中心。关于至少双配位的有机化合物，特别要提到的是具有以下结构的化合物i)一个烷基亚结构，具有1至10个碳原子，ii)一个芳基亚结构，具有1至5个苯环，iii)一个烷基或芳基胺亚结构，由具有1至10个碳原子的烷基或具有1至5个苯环的芳基组成，所述亚结构键合有至少一种至少双配位的官能团“X”，该官能团与所述化合物的亚结构共价键合，并且其中X选自由CO2H、CS2H、NO2、SO3H、Si(OH)3、Ge(OH)3、Sn(OH)3、Si(SH)4、Ge(SH)4、Sn(SH)3、PO3H、AsO3H、AsO4H、P(SH)3、As(SH)3、CH(RSH)2、C(RSH)3、CH(RNH2)2、C(RNH2)3、CH(ROH)2、C(ROH)3、CH(RCN)2、C(RCN)3以及CH(SH)2、C(SH)3、CH(NH2)2、C(NH2)2、CH(OH)2、C(OH)3、CH(CN)2和C(CN)3组成的组，其中R是具有1至5个碳原子的烷基，或是由1至2个苯环组成的芳基。
特别要提到的是取代的或未取代的、单环或多环的芳香二、三和四元羧酸，以及取代或未取代的、芳香族的、包含至少一个杂原子的、具有一个或多个环的芳香二、三和四元羧酸。
优选的配体是对苯二甲酸，特别优选的金属离子是Co2+和Zn2+。
除了至少双配位的有机化合物之外，依据本发明所用的骨架材料还可以含有一种或多种单配位的配体，其优选源自下列单配位的物质a.烷基胺及其相应的烷基铵盐，含有直链、支链或环状的脂肪族基团，具有1至20个碳原子(及其相应的铵盐)；b.芳基胺及其相应的芳基铵盐，具有1至5个苯环；c.烷基鏻盐，含有直链、支链或环状的脂肪族基团，具有1至20个碳原子；d.芳基鏻盐，具有1至5个苯环；e.烷基有机酸和相应的烷基有机阴离子(和盐)，含有直链、支链或环状的脂肪族基团，具有1至20个碳原子；f.芳基有机酸及其相应的芳基有机阴离子及盐，具有1至5个苯环；g.脂肪醇，含有直链、支链或环状的脂肪族基团，具有1至20个碳原子；h.芳基醇，具有1至5个苯环；
i.无机阴离子，选自由硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、磷酸盐、磷酸氢盐、磷酸二氢盐、二磷酸盐、三磷酸盐、磷酸盐、亚磷酸盐、氯化物、氯酸盐、溴化物、溴酸盐、碘化物、碘酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐，以及上述无机阴离子相应的酸和盐组成的组；j.氨、二氧化碳、甲烷、氧、乙烯、己烷、苯、甲苯、二甲苯、氯苯、硝基苯、萘、噻吩、吡啶、丙酮、1-2-二氯乙烷、二氯甲烷、四氢呋喃、乙醇胺、三乙胺和三氟甲磺酸。
关于至少双配位的有机化合物和单配位物质(本申请所采用骨架材料的配体由其衍生)的进一步的细节，可以从EP-A 0 790 253中推论得出，其相应内容引入本申请作为参考。
通过举例的方式，给出如下已经合成和表征的金属-有机骨架材料的列表。其中也包括可用于本申请骨架中的新型等网状(isoreticular)金属-有机骨架材料(IR-MOFs)。关于这种具有相同骨架布局但呈现不同孔尺寸和晶体密度的材料的描述，例如可参见M.Eddouadi等人的Science 295(2002)469，这里将其引入本申请作为参考。
所用的溶剂对于这些材料的合成是特别重要的，因此将其列于表中。晶胞参数(角α、β、γ和间距a、b、c，间距以埃为单位)值由x射线衍射得到并代表在表中给出的空间群。
ADC 乙炔二羧酸NDC 萘二羧酸BDC 苯二羧酸ATC 金刚烷四羧酸BTC 苯三羧酸BTB 三苯甲酸苯酯MTB 四苯甲酸甲酯ATB 四苯甲酸金刚酯ADB 二苯甲酸金刚酯在表中所述本申请的骨架材料中，尤其优选的是包含Zn2+作为金属离子和衍生自对苯二甲酸的配体作为双配位化合物的骨架材料，文献中称为MOF-5。
分别用于制备本发明所用骨架材料的更多金属离子、至少双配位的有机化合物、单配位物质及它们的制备方法，特别披露在EP-A 0 790 253、US 5,648,508和DE 10111230.0中。
关于对MOF-5的制备尤为有用的溶剂，除了以上参考文献中披露的溶剂二甲替甲酰胺以外，还可以采用二乙替甲酰胺以及N-甲基吡咯烷酮(N-methylpyrollidone)，可以单独使用、相互结合使用或与其它溶剂结合使用。在骨架材料的制备中，尤其在MOF-5的制备中，结晶后回收溶剂和母液以节约成本和材料。
从结晶母液中分离骨架材料，特别是MOF-5，可以采用本领域公知的方法进行，例如固-液分离，如离心分离、萃取、过滤、膜式过滤、交叉流过滤、使用絮凝辅剂(非离子的、阴离子的和阳离子的辅剂)的絮凝；或通过添加诸如盐、酸或碱的pH调节剂；通过浮选、喷雾干燥或喷雾造粒；和在升高的温度下和/或在真空中蒸发母液以及浓缩固体。
可以按照塑料加工中公知的方法分别将分离后的骨架材料，特别是MOF-5，进行混合、熔融、挤出、共挤、模冲、旋压、发泡以及造粒。通常，所述材料可以以能够实现本发明目的的小球状、薄膜或类片状的形式进行使用。但是，上述方法可以制备各种其它不同的几何形状，这对于根据本发明的所述材料的广泛应用，尤其是移动应用和便携式移动应用是十分必要的。
作为待保留和/或储存和/或释放的气体，需要特别提到的是烃、醇、氢气、氮气、稀有气体、CO、CO2、天然气、合成气、生成和/或释放这些气体的化合物及其两种或多种的混合物。特别优选的是氢气、含氢气的气体混合物、生成或释放氢气的物质、含至少一种生成和/或释放氢气的物质的气体混合物。
在进一步的实施方式中，金属-有机骨架材料与至少一种容量增强剂接触，该容量增强剂选自由溶剂、络合物、金属、金属氢化物、合金，以及其中两种或多种的混合物组成的集合，例如上述源自Pd、Pt、Ni和Ru作为金属的实施方式。
此外，本发明涉及一种设备，其中容装有本文中定义的金属-有机骨架材料，用于摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或摄取、储存和释放至少一种气体。
所述设备另外还可以包括以下组件容装有金属-有机骨架材料的容器；允许该至少一种气体进入或离开该设备的进口/出口；
能将气体在压力下保持在容器中的气密保持装置。
本发明进一步涉及一种容装有这里所述介质的燃料电池。
还涉及一种使用包含这里所述金属-有机骨架材料的介质的方法，在固定、移动和移动便携式应用中，优选在发电厂、小汽车、卡车、公共汽车、蜂窝式电话和手提电脑中，用该骨架材料摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或者摄取、储存和释放至少一种气体，并涉及采用按照本发明所述的设备为发电厂、小汽车、卡车、公共汽车、蜂窝式电话和手提电脑提供电力的方法。
采用权利要求10所述的燃料电池为发电厂、小汽车、卡车、公共汽车、蜂窝式电话和手提电脑提供电力的方法。
现在举出下列实施例对本发明做进一步描述，然而，这些实施例并不意味着是对本发明范围的限定。
实施例
图1表示由实施例1制备的MOF-5骨架材料的X-射线粉末衍射图。
图2表示MOF-5在87K下的对氩的吸附等温线。
图3表示MOF-5在30℃下的对氢气的吸附等温线。
实施例1(MOF-5的制备)
将上述量的原材料按照二乙替甲酰胺、对苯二甲酸和硝酸锌的顺序溶解在烧杯中。将所得溶液引入两个内壁分别涂有特氟隆的高压釜(250ml)中。
结晶在105℃下进行20小时。随后，将橙色溶剂从黄色结晶中轻轻倒出，再将所述结晶用20ml二甲替甲酰胺浸没，再将后者轻轻倒出。将该过程重复三次。然后，将20ml氯仿倒到固体上，将该固体洗涤并用所述溶剂倾析两次。
将仍然潮湿的结晶(14.4g)引入真空设备，先在室温下抽真空(10-4mbar)，之后在120℃下干燥。
然后，通过X射线粉末衍射及微孔吸附测定描述所得产物的特征。所得产物表现出如图1所示的X射线衍射图，与MOF-5相一致。
测定的其对氩的吸附等温线(87K，Micromeritics ASAP 2010)，如图2中所示，呈现I-型等温线，这对微孔材料是典型的。它还具有按照朗缪尔计算为3020m2/g的比表面积，及0.97ml/g的微孔体积(在相对压力p/p0＝0.4下)。
实施例2用Rubotherm Prazissionsmesstechnik GmbH，Bochum公司的磁悬浮天平对实施例1的样品对氢气的储存能力做如下检测。将样品称重，引入仪器。在密封仪器并用膜前级泵和涡轮分子泵将其抽真空至10-5mbar后，将样品在真空下100℃加热16h。
将样品在30℃下热稳定后，按照图3所示的各种压力加入氢气(纯度99.999％；Messer公司)。所得吸附等温线示于图3中。该图表明在约150mbar的氢压下，样品能储存相当于活化样品总重约1重量％的氢气。进一步增大压力，甚至可增加储存能力。
实施例3(对比例)采用与实施例2相同的试验装置和步骤，测定活性炭(CECA公司，AC40，按照朗缪尔计算的比表面积为2037m2/g)对氢气的储存能力。图3显示出活性炭的容量明显小于MOF-5。
权利要求
1.摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或者摄取、储存和释放至少一种气体的方法，其特征在于通过一种包含金属-有机骨架材料的介质摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或者摄取、储存和释放气体，该金属-有机骨架材料包含孔和至少一种金属离子以及至少一种与所述金属离子键联，优选配位键联的至少双配位的有机化合物。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述气体包含下列气体中的至少一种氢气、氮气、稀有气体、CO、CO2，以及生成和/或释放这些气体的化合物。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述气体是氢气、含氢的气体混合物、生成或释放氢气的物质、包含至少一种生成和/或释放氢气的物质的气体混合物。
4.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于所述金属离子是选自元素周期表中第Ia、IIa、IIIa、IVa至VIIIa以及Ib至VIb族元素的离子。
5.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于金属-有机骨架材料与至少一种容量增强剂接触，该容量增强剂选自由溶剂、络合物、金属、金属氢化物、金属合金及其中两种或多种的混合物组成的集合。
6.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于双配位的有机化合物选自取代的或未取代的、可以含一个或多个环的芳香多元羧酸；以及取代或未取代的、包含至少一个杂原子并且可以含一个或多个环的芳香多元羧酸。
7.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于含孔的金属-有机骨架材料经吸附(按照DIN66131的BET)测定比表面积大于20m2/g。
8.用于摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或者摄取、储存和释放至少一种气体的设备，该设备容装有前述权利要求任一项所限定的金属-有机骨架材料。
9.如权利要求8所述的设备，进一步包括容装有金属-有机骨架材料的容器；使该至少一种气体可以进入或离开该设备的进口/出口；能将气体在压力下保持在容器中的气密保持装置。
10.容装有权利要求1至7任一项的介质的燃料电池。
11.包含金属-有机骨架材料的介质的用途，该骨架材料包含孔和至少一种金属离子以及至少一种与所述金属离子键联，优选配位键联的至少双配位的有机化合物，用于在固定、移动和移动便携式应用中摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或者摄取、储存和释放至少一种气体。
12.根据权利要求11的用途，其中所述应用是在发电厂、小汽车、卡车、客车、蜂窝式电话及手提电脑中的应用。
13.根据权利要求8或9的设备的用途，用于为发电厂、小汽车、卡车、客车、蜂窝式电话及手提电脑提供电力。
14.根据权利要求10的燃料电池的用途，用于为发电厂、小汽车、卡车、客车、蜂窝式电话及手提电脑提供电力。
全文摘要
本发明涉及一种使用金属有机骨架材料摄取、或储存、或释放、或摄取和储存、或摄取和释放、或储存和释放、或者摄取、储存和释放至少一种气体的方法，该骨架材料包含孔和至少一种金属离子以及至少一种与所述金属离子键联(优选配位键联)的至少双配位的有机化合物，并涉及一种用于实现上述目的、包含所述材料的燃料电池。
文档编号C01B3/00GK1617761SQ02827705
公开日2005年5月18日 申请日期2002年7月1日 优先权日2002年2月1日
发明者U·穆勒尔, K·哈特, M·赫尔茨勒, M·黑塞, L·洛贝雷, W·哈德, O·M·亚吉, M·埃达欧蒂 申请人:巴斯福股份公司, 密执安大学董事会