Science China Technological Sciences（《中国科学：技术科学（英文版）》）2024年67卷12期发表了南京邮电大学李兴鳌教授团队的研究成果“Boosting hydrogen storage performance in COF-108 by single-walled carbon nanotube insertion, boron substitution, and lithium doping at room temperature”。该团队通过密度泛函理论和巨正则蒙特卡洛模拟对共轭有机框架COF-108进行了多重修饰改性，设计出了具有卓越氢气存储能力的多孔复合材料。
近年来，氢能作为传统能源的替代能源被广泛研究。然而，传统的氢气存储方式往往需要高压或低温，昂贵且危险。多孔材料由于具有快速的动力学和可逆的吸附–脱附过程而被视为理想的氢气存储载体。然而，实验上还未能实现美国能源部(DOE)设定的轻型车辆使用标准——2020年质量比和体积比分别为4.5 wt%和30 g/L，2025年分别为5.5 wt%和40 g/L。
理论上想要提高多孔材料的氢气存储性能，增加比表面积和轻金属掺杂是被认为有效的两种方式，前者提供更多的氢气吸附位，后者增加了氢气的吸附能。本文在COF-108的基础上，设计了不同孔径的单壁碳纳米管(SWNTs)插入的方式提高比面积，硼取代和锂掺杂提高吸附能，用密度泛函理论和巨正则蒙特卡洛模拟研究了氢气在复合材料中的吸附性能。
文章提出了一种基于共价有机框架(COFs)的新型复合材料，用于在室温下高效存储氢气。单壁碳纳米管(SWNTs)被插入到COF-108中，并且在硼取代结构中掺杂了额外的锂原子。密度泛函理论计算被用来优化复合结构和计算氢气分子中氢元素与吸附剂元素之间的力场参数。巨正则蒙特卡洛模拟的氢气吸附显示，SWNT插入和锂掺杂显著提高了室温下氢气的存储性能。此外，文章还对对掺杂锂原子的数量和比表面积对氢气吸附量的影响进行了详细分析。在298 K和100 bar条件下，锂掺杂的硼取代SWNT(15,0)@COF-108和SWNT(9,9)@COF-108的最高的氢气过量吸附质量比和体积比分别为5.08 wt%和31.65 g/L。令人惊讶的是，锂掺杂的硼取代SWNT(9,9)@COF-108的氢气总吸附量不仅达到了，而且还超过了美国能源部在他们制定的温度和压强限制内的2020年目标。这项研究提出了一种理论上有根据的多重修饰改性策略，用于设计具有卓越氢气存储能力的多孔材料，为开发先进的氢气存储解决方案提供了有希望的途径。
图4 233 K下，氢气在Li-B(9,9)@Li-BCOF中的过量吸附质量比（蓝色）和体积比（红色）；以及233 K和12 bar下GCMC模拟的氢气吸附分子（左图）和密度（右图）快照。锂：紫色小球；硼：粉色线；碳：灰色线；氧：红色线；Li-B(9,9)@Li-BCOF中的氢：白色线；吸附的氢气分子：白色棍；以及吸附的氢气密度：红色点。绿色和橄榄绿的短划线分别代表2020和2025年的DOE目标，黑色短划线则代表DOE制定的最大运输压强(12 bar)。