MOF在二氧化碳回收、氫氣儲存領域的發展：材料世界網

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【內文精選】

MOF是一種由金屬離子與有機配位體以配位鍵結合而成的金屬錯合物，是一種以分子為基本單位進行建構，具有無數奈米尺度孔洞的海綿狀物質。由於其中的微小孔洞以規則方式排列，因此能夠選擇性地吸附特定氣體。相較於活性碳與沸石等傳統多孔材料，MOF在多孔性質與表面積等方面具有顯著的優勢。既有多孔材料的孔壁較厚，而MOF的孔壁僅約一個原子的厚度，結構相當疏鬆。因此在相同重量下，MOF擁有更大的表面積，可以儲存更多氣體。此外，透過不同的有機分子與金屬離子的選擇，可以自由調整孔洞大小、形狀以及表面化學性質（也就是與其他分子之間的親和性），進一步選擇性地吸附、分離特定分子。MOF可望應用的領域，如表一所示。

▼表一、MOF主要應用領域與功能樣態

在以上用途之中，現階段MOF被認為最有前景、能夠實際落實的應用，就是氣體儲存與分離。同時，直接從大氣中回收CO₂的直接空氣捕集(DAC)技術，也是備受期待的應用領域。人類長期以來都倚賴地下的碳資源，然而此模式無法一直持續，未來必須建立出能使用空氣資源的新型態。而為了直接利用空氣中的資源，MOF這類能夠利用有機分子自由設計孔徑大小與性質的新型多孔材料，未來勢必仍將有更多的進展。

二氧化碳回收為優勢領域

高密度氣體的安全儲存是MOF的強項，透過MOF技術的落實，有望將儲槽中的CO₂儲存量提升到既有技術的約18倍。而在CO₂回收領域方面，相關研究也顯示其性能有機會達到既有技術的10倍以上。上述技術正逐漸從基礎研究階段邁向技術的實用化，相關企業與研究機構都正在積極展開準備工作，初步的目標設定在2030年前後，屆時將可以看到實用化的成果。

目前最為普遍的CO₂回收方法是胺吸收法(Amine Absorption)，這個方式雖然能源效率不高，但因屬於成熟化技術，在產業界已有數十年實際運轉的實績，而設備引進成本也相對較低。相較之下，雖然MOF理論上具有較高的能源效率，但在材料成本與設備投資方面都相當昂貴。雖說如此，但全球材料與化學企業仍持續投入MOF的開發。原因在於MOF具備較高儲存能力，同時具大幅降低CO₂回收的運轉成本的可能性，長期運轉的經濟性有望能彌補初期的高昂建置成本。

在CO₂回收的方式上，胺吸收法及同屬化學吸收法使用鹼性分子（胺吸收法使用的是胺液）與酸性的CO₂進行化學反應，藉此完成回收。雖然其CO₂捕捉能力很強，但其吸收材料的再生（CO₂分離脫附）過程卻是一大難題。要去除已經吸收的CO₂，使胺液恢復到可以重新使用的狀態，就必須在120℃的高溫條件下持續加熱，因此其能源效率偏低、加熱成本高、運轉費用龐大。

另一方面，MOF則是透過物理方式來吸附CO₂。由於是依靠凡德瓦力等較弱的分子間作用力來固定CO₂，因此理論上只需極低能量即可完成脫附。而其中具有「閘門吸附(Gate Adsorption)」特性的MOF更是注目的焦點（圖一）。此種MOF的氣體吸附等溫線呈S型，結構能隨著壓力改變而變形。當壓力超過某個臨界值時，就能像閘門打開一樣，迅速吸附CO₂，當壓力低於臨界值的時候，又能一口氣釋放所吸附的CO₂ ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。